JP2017091820A - Negative electrode active material for electric device, and electric device arranged by use thereof - Google Patents

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洋一 吉岡
千葉 啓貴
Hirotaka Chiba
啓貴 千葉
智裕 蕪木
Tomohiro Kaburagi
智裕 蕪木
渡邉 学
Manabu Watanabe
学 渡邉
誠也 荒井
Seiya Arai
誠也 荒井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide means which enables the enhancement in the cycle durability of an electric device, such as a lithium ion secondary battery.SOLUTION: A silicon-containing alloy is used as a negative electrode active material for an electric device, which comprises a ternary alloy composition expressed by Si-Sn-M (where M represents one or more transition metal elements). The silicon-containing alloy has a structure in which a-Si phases including amorphous or low-crystallinity silicon and formed as a result of solid dissolution of tin in a silicon crystal structure are dispersed in a silicide phase including a transition metal silicide as a primary component. With the a-Si phases, the inter-Si tetrahedron distance is 0.38 nm or more according to TEM-MRO analysis. In X-ray diffraction measurement with CuKα1 rays, the ratio (B/A) of a diffraction peak intensity B of (311) plane of the transition metal silicide in a range of 2θ=37-45° to a diffraction peak intensity A of Si (111) plane in a range of 2θ=24-33° is 1.34 or larger.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、電気デバイス用負極活物質、およびこれを用いた電気デバイスに関する。本発明の電気デバイス用負極活物質およびこれを用いた電気デバイスは、例えば、二次電池やキャパシタ等として電気自動車、燃料電池車およびハイブリッド電気自動車等の車両のモータ等の駆動用電源や補助電源に用いられる。   The present invention relates to a negative electrode active material for electric devices and an electric device using the same. The negative electrode active material for an electric device and the electric device using the same according to the present invention include, for example, a driving power source and an auxiliary power source for a motor of a vehicle such as an electric vehicle, a fuel cell vehicle, and a hybrid electric vehicle as a secondary battery or a capacitor. Used for

近年、大気汚染や地球温暖化に対処するため、二酸化炭素量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動用二次電池などの電気デバイスの開発が盛んに行われている。   In recent years, in order to cope with air pollution and global warming, reduction of the amount of carbon dioxide has been strongly desired. In the automobile industry, there is a great expectation for reducing carbon dioxide emissions by introducing electric vehicles (EV) and hybrid electric vehicles (HEV). Electric devices such as secondary batteries for motor drive that hold the key to their practical application. Is being actively developed.

モータ駆動用二次電池としては、携帯電話やノートパソコン等に使用される民生用リチウムイオン二次電池と比較して極めて高い出力特性、および高いエネルギーを有することが求められている。したがって、全ての電池の中で最も高い理論エネルギーを有するリチウムイオン二次電池が注目を集めており、現在急速に開発が進められている。   As a secondary battery for driving a motor, it is required to have extremely high output characteristics and high energy as compared with a consumer lithium ion secondary battery used in a mobile phone, a notebook personal computer or the like. Therefore, lithium ion secondary batteries having the highest theoretical energy among all the batteries are attracting attention, and are currently being developed rapidly.

リチウムイオン二次電池は、一般に、バインダを用いて正極活物質等を正極集電体の両面に塗布した正極と、バインダを用いて負極活物質等を負極集電体の両面に塗布した負極とが、電解質層を介して接続され、電池ケースに収納される構成を有している。   Generally, a lithium ion secondary battery includes a positive electrode in which a positive electrode active material or the like is applied to both surfaces of a positive electrode current collector using a binder, and a negative electrode in which a negative electrode active material or the like is applied to both surfaces of a negative electrode current collector using a binder. However, it has the structure connected through an electrolyte layer and accommodated in a battery case.

従来、リチウムイオン二次電池の負極には充放電サイクルの寿命やコスト面で有利な炭素・黒鉛系材料が用いられてきた。しかし、炭素・黒鉛系の負極材料ではリチウムイオンの黒鉛結晶中への吸蔵・放出により充放電がなされるため、最大リチウム導入化合物であるLiCから得られる理論容量372mAh/g以上の充放電容量が得られないという欠点がある。このため、炭素・黒鉛系負極材料で車両用途の実用化レベルを満足する容量、エネルギー密度を得るのは困難である。 Conventionally, carbon / graphite-based materials that are advantageous in terms of charge / discharge cycle life and cost have been used for negative electrodes of lithium ion secondary batteries. However, since carbon / graphite-based negative electrode materials are charged / discharged by occlusion / release of lithium ions into / from graphite crystals, the charge / discharge capacity of the theoretical capacity 372 mAh / g or more obtained from LiC 6 which is the maximum lithium-introduced compound. There is a disadvantage that cannot be obtained. For this reason, it is difficult to obtain a capacity and energy density that satisfy the practical use level of the vehicle application with the carbon / graphite negative electrode material.

これに対し、負極にLiと合金化する材料を用いた電池は、従来の炭素・黒鉛系負極材料と比較しエネルギー密度が向上するため、車両用途における負極材料として期待されている。例えば、Si材料は、充放電において下記の反応式(A)のように1molあたり3.75molのリチウムイオンを吸蔵放出し、Li15Si(=Li3.75Si)においては理論容量3600mAh/gである。 On the other hand, a battery using a material that is alloyed with Li for the negative electrode is expected as a negative electrode material for vehicle use because the energy density is improved as compared with a conventional carbon / graphite negative electrode material. For example, the Si material occludes and releases 3.75 mol of lithium ions per mol as shown in the following reaction formula (A) in charge / discharge, and the theoretical capacity is 3600 mAh / liter in Li 15 Si 4 (= Li 3.75 Si). g.

しかしながら、負極にLiと合金化する材料を用いたリチウムイオン二次電池は、充放電時の負極での膨張収縮が大きい。例えば、Liイオンを吸蔵した場合の体積膨張は、黒鉛材料では約1.2倍であるのに対し、Si材料ではSiとLiが合金化する際、アモルファス状態から結晶状態へ転移し大きな体積変化(約4倍)を起こすため、電極のサイクル寿命を低下させる問題があった。また、Si負極活物質の場合、容量とサイクル耐久性とはトレードオフの関係であり、高容量を示しつつサイクル耐久性を向上させることが困難であるといった問題があった。   However, a lithium ion secondary battery using a material that is alloyed with Li for the negative electrode has a large expansion and contraction in the negative electrode during charge and discharge. For example, when Li ions are occluded, the volume expansion is about 1.2 times in graphite materials, whereas in Si materials, when Si and Li are alloyed, transition from the amorphous state to the crystalline state causes a large volume change. (Approximately 4 times), there was a problem of reducing the cycle life of the electrode. In the case of the Si negative electrode active material, the capacity and the cycle durability are in a trade-off relationship, and there is a problem that it is difficult to improve the cycle durability while exhibiting a high capacity.

ここで、特許文献1では、高容量で、かつサイクル寿命に優れた負極ペレットを有する非水電解質二次電池を提供することを課題とした発明が開示されている。具体的には、ケイ素粉末とチタン粉末とをメカニカルアロイング法により混合し、湿式粉砕して得られるケイ素含有合金であって、ケイ素を主体とする第1相とチタンのケイ化物(TiSiなど)を含む第2相とを含むものを負極活物質として用いることが開示されている。この際、これらの2つの相の少なくとも一方を非晶質または低結晶性とすることも開示されている。 Here, Patent Document 1 discloses an invention that aims to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery having a negative electrode pellet having a high capacity and an excellent cycle life. Specifically, a silicon-containing alloy obtained by mixing silicon powder and titanium powder by a mechanical alloying method and wet-pulverizing the first phase mainly composed of silicon and a silicide of titanium (such as TiSi 2 ) ) Containing a second phase containing) is disclosed as a negative electrode active material. At this time, it is also disclosed that at least one of these two phases is amorphous or low crystalline.

国際公開第2006/129415号パンフレットInternational Publication No. 2006/129415 Pamphlet

本発明者らの検討によれば、上記特許文献1に記載の負極ペレットを用いたリチウムイオン二次電池等の電気デバイスでは、良好なサイクル耐久性を示すことができるとされているにもかかわらず、サイクル耐久性が十分ではない場合があることが判明した。   According to the study by the present inventors, although it is said that the electric device such as a lithium ion secondary battery using the negative electrode pellet described in Patent Document 1 can exhibit good cycle durability. Therefore, it has been found that the cycle durability may not be sufficient.

そこで本発明は、リチウムイオン二次電池等の電気デバイスのサイクル耐久性を向上させうる手段を提供することを目的とする。   Then, an object of this invention is to provide the means which can improve the cycling durability of electric devices, such as a lithium ion secondary battery.

本発明者らは、上記課題を解決するため、鋭意研究を行った。その結果、Si−Sn−M(Mは1または2以上の遷移金属元素である)で表される三元系の合金組成を有し、ケイ素の結晶構造の内部にスズが固溶してなる非晶質または低結晶性のケイ素を含むa−Si相が、遷移金属のケイ化物を主成分とするシリサイド相中に分散されてなる構造を有するケイ素含有合金を電気デバイス用の負極活物質として用いるとともに、当該ケイ素含有合金におけるSi正四面体間距離およびX線回折測定によるシリサイド/Siピーク強度比の値を制御することで上記課題が解決されうることを見出し、本発明を完成させるに至った。   In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have conducted intensive research. As a result, it has a ternary alloy composition represented by Si-Sn-M (M is one or more transition metal elements), and tin is solid-solved inside the silicon crystal structure. A silicon-containing alloy having a structure in which an a-Si phase containing amorphous or low crystalline silicon is dispersed in a silicide phase mainly composed of a transition metal silicide is used as a negative electrode active material for an electric device. In addition, the present inventors have found that the above problem can be solved by controlling the distance between Si tetrahedrons in the silicon-containing alloy and the value of the silicide / Si peak intensity ratio by X-ray diffraction measurement, and completed the present invention. It was.

すなわち、本発明は、ケイ素含有合金からなる電気デバイス用負極活物質に関する。そして、前記ケイ素含有合金は、下記(A)〜(D)の規定を満足する点に特徴を有する:
(A)下記化学式(I):
That is, this invention relates to the negative electrode active material for electric devices which consists of a silicon containing alloy. And the said silicon containing alloy has the characteristics in the point which satisfy | fills the prescription | regulation of following (A)-(D):
(A) The following chemical formula (I):

(上記化学式(I)において、
Aは、不可避不純物であり、
Mは、1または2以上の遷移金属元素であり、
x、y、z、およびaは、質量%の値を表し、この際、0<x<100、0<y<100、0<z<100、および0≦a<0.5であり、x+y+z+a=100である。)
で表される組成を有する;
(B)ケイ素の結晶構造の内部にスズが固溶してなる非晶質または低結晶性のケイ素を含むa−Si相が、遷移金属のケイ化物を主成分とするシリサイド相中に分散されてなる構造を有する;
(C)前記a−Si相についてのTEM−MRO解析によるSi正四面体間距離が0.38nm以上である;
(D)CuKα1線を用いたX線回折測定において、2θ=24〜33°の範囲におけるSiの(111)面の回折ピーク強度Aに対する、2θ=37〜45°の範囲における遷移金属のケイ化物の(311)面の回折ピーク強度Bの比の値(B/A)が1.34以上である。
(In the above chemical formula (I),
A is an inevitable impurity,
M is one or more transition metal elements,
x, y, z, and a represent mass% values, where 0 <x <100, 0 <y <100, 0 <z <100, and 0 ≦ a <0.5, and x + y + z + a = 100. )
Having a composition represented by:
(B) The a-Si phase containing amorphous or low crystalline silicon in which tin is dissolved in the silicon crystal structure is dispersed in a silicide phase mainly composed of a transition metal silicide. Having a structure of
(C) The Si tetrahedral distance by TEM-MRO analysis for the a-Si phase is 0.38 nm or more;
(D) In the X-ray diffraction measurement using CuKα1 line, the transition metal silicide in the range of 2θ = 37 to 45 ° with respect to the diffraction peak intensity A of the (111) plane of Si in the range of 2θ = 24 to 33 ° The value (B / A) of the diffraction peak intensity B of the (311) plane is 1.34 or more.

本発明に係る負極活物質を構成するケイ素含有合金は、Si−Sn−M(Mは1または2以上の遷移金属元素である)で表される三元系の合金組成を有するとともに、ケイ素の結晶構造の内部にスズが固溶してなる非晶質または低結晶性のケイ素を含むa−Si相が遷移金属のケイ化物を主成分とするシリサイド相中に分散されてなる構造を有することが、高いサイクル耐久性の実現に寄与している。すなわち、このように、シリサイド相が海島構造の海(連続相)を構成することで、負極活物質(ケイ素含有合金)の電子伝導性をよりいっそう向上させることができ、しかもa−Si相の膨張時の応力を緩和して活物質の割れを防止することができる。また、非晶質領域(a−Si相)のSi正四面体間距離が所定値以上の値となることで、充放電時におけるリチウムイオンの挿入・脱離反応が進行しやすくなっているものと考えられる。さらには、SiM/Siのピーク強度比(B/A)が所定値以上の値となることで、充電時にSiとLiとが合金化する際のアモルファス−結晶の相転移(Li15Siへの結晶化)を抑制しつつ、充放電時の活物質粒子の膨張を緩和することにつながっているものと考えられる。これらが複合的に作用する結果、本発明に係る負極活物質によれば、電気デバイスのサイクル耐久性の向上がもたらされる。 The silicon-containing alloy constituting the negative electrode active material according to the present invention has a ternary alloy composition represented by Si-Sn-M (M is one or more transition metal elements), It has a structure in which an a-Si phase containing amorphous or low crystalline silicon in which tin is dissolved in a crystal structure is dispersed in a silicide phase mainly composed of a transition metal silicide. However, it contributes to the realization of high cycle durability. That is, in this way, when the silicide phase constitutes a sea (continuous phase) having a sea-island structure, the electron conductivity of the negative electrode active material (silicon-containing alloy) can be further improved, and the a-Si phase It is possible to relieve stress during expansion and prevent cracking of the active material. In addition, when the distance between Si tetrahedrons in the amorphous region (a-Si phase) is a value greater than or equal to a predetermined value, the insertion / extraction reaction of lithium ions during charge / discharge easily proceeds. it is conceivable that. Furthermore, when the SiM / Si peak intensity ratio (B / A) is a value equal to or greater than a predetermined value, the amorphous-crystal phase transition (to Li 15 Si 4) when Si and Li are alloyed during charging. It is considered that this leads to relaxation of the expansion of the active material particles during charging / discharging while suppressing crystallization of the active material particles. As a result of these combined actions, the negative electrode active material according to the present invention provides improved cycle durability of the electrical device.

図1は、本発明に係る電気デバイスの代表的な一実施形態である積層型の扁平な非双極型リチウムイオン二次電池の概要を模式的に表した断面概略図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view schematically showing an outline of a laminated flat non-bipolar lithium ion secondary battery which is a typical embodiment of an electric device according to the present invention. 図2は、本発明に係る電気デバイスの代表的な実施形態である積層型の扁平なリチウムイオン二次電池の外観を模式的に表した斜視図である。FIG. 2 is a perspective view schematically showing the appearance of a stacked flat lithium ion secondary battery which is a typical embodiment of the electric device according to the present invention. 図3は、実施例1の負極活物質(ケイ素含有合金)をHAADF−STEMにより観察した結果を示す写真である。図3(A)は、実施例1の負極活物質(ケイ素含有合金)のHAADF−STEMによる観察画像(低倍率)についてEDXにより元素強度マッピングを行った画像である。図3(B)は、図3(A)に示す実施例1のHAADF−STEM観察画像(低倍率)の四角で囲んだ部位を拡大した観察画像(高倍率)を示す写真である。FIG. 3 is a photograph showing the results of observation of the negative electrode active material (silicon-containing alloy) of Example 1 by HAADF-STEM. FIG. 3A is an image obtained by performing element strength mapping by EDX on an observation image (low magnification) of the negative electrode active material (silicon-containing alloy) of Example 1 by HAADF-STEM. FIG. 3B is a photograph showing an observation image (high magnification) obtained by enlarging a portion surrounded by a square of the HAADF-STEM observation image (low magnification) of Example 1 shown in FIG. 図4は、実施例3〜5および比較例の負極活物質(ケイ素含有合金)のHAADF−STEMによる観察画像(低倍率)についてEDXにより元素強度マッピングを行った画像である。図4(A):実施例3、図4(B):実施例4、図4(C):実施例5、図4(D):比較例。FIG. 4 is an image obtained by performing element strength mapping by EDX on observation images (low magnification) of Examples 3 to 5 and comparative example negative electrode active materials (silicon-containing alloys) by HAADF-STEM. 4 (A): Example 3, FIG. 4 (B): Example 4, FIG. 4 (C): Example 5, FIG. 4 (D): Comparative example. 図5は、実施例1の負極活物質(ケイ素含有合金)の非晶質領域(a−Si相)におけるSi正四面体間距離を測定する方法を説明するための写真である。具体的に、図5(A)は、実施例1の負極活物質(ケイ素含有合金)のHAADF−STEMにより得られた格子像を拡大した写真である。また、図5(B)は、図5(A)に示す実施例1のケイ素含有合金の格子像(HAADF−STEM像)に対して高速フーリエ変換(FFT)処理を施して取得した回折図形を示す写真である。そして、図5(C)は、図5(B)のSi(220)面に対応した回折リング部分のデータが抽出された抽出図形に対して逆高速フーリエ変換処理を行い、得られた逆フーリエ変換画像を示す写真である。FIG. 5 is a photograph for explaining a method of measuring the distance between Si tetrahedrons in the amorphous region (a-Si phase) of the negative electrode active material (silicon-containing alloy) of Example 1. Specifically, FIG. 5A is an enlarged photograph of a lattice image obtained by HAADF-STEM of the negative electrode active material (silicon-containing alloy) of Example 1. FIG. 5B shows a diffraction pattern obtained by performing a fast Fourier transform (FFT) process on the lattice image (HAADF-STEM image) of the silicon-containing alloy of Example 1 shown in FIG. It is a photograph shown. FIG. 5C shows an inverse Fourier transform obtained by performing inverse fast Fourier transform processing on the extracted figure from which data of the diffraction ring portion corresponding to the Si (220) plane of FIG. 5B is extracted. It is a photograph which shows a conversion image. 図6Aは、実施例3〜4の負極活物質(ケイ素含有合金)について図4に示したHAADF−STEM観察画像(低倍率)の四角で囲んだ部位を拡大した観察画像(高倍率)を示す写真、および、当該観察画像から得られた逆フーリエ変換画像を示す写真である。具体的に、図6A(A)は、図4(A)に示す実施例3のHAADF−STEM観察画像(低倍率)の四角で囲んだ部位を拡大した観察画像(高倍率)を示す写真であり、図6A(B)は、図6A(A)の観察画像から得られた実施例3の逆フーリエ変換画像である。同様に、図6A(C)は、図4(B)に示す実施例4のHAADF−STEM観察画像(低倍率)の四角で囲んだ部位を拡大した観察画像(高倍率)を示す写真であり、図6A(D)は、図6A(C)の観察画像から得られた実施例4の逆フーリエ変換画像である。FIG. 6A shows an observation image (high magnification) obtained by enlarging a portion surrounded by a square of the HAADF-STEM observation image (low magnification) shown in FIG. 4 for the negative electrode active material (silicon-containing alloy) of Examples 3 to 4. It is a photograph which shows a photograph and the inverse Fourier transform image obtained from the said observation image. Specifically, FIG. 6A (A) is a photograph showing an observation image (high magnification) obtained by enlarging a portion surrounded by a square of the HAADF-STEM observation image (low magnification) of Example 3 shown in FIG. 4 (A). FIG. 6A (B) is an inverse Fourier transform image of Example 3 obtained from the observation image of FIG. 6A (A). Similarly, FIG. 6A (C) is a photograph showing an observation image (high magnification) obtained by enlarging a portion surrounded by a square of the HAADF-STEM observation image (low magnification) of Example 4 shown in FIG. 4 (B). 6A (D) is an inverse Fourier transform image of Example 4 obtained from the observation image of FIG. 6A (C). 図6Bは、実施例5および比較例の負極活物質(ケイ素含有合金)について図4に示したHAADF−STEM観察画像(低倍率)の四角で囲んだ部位を拡大した観察画像(高倍率)を示す写真、および、当該観察画像から得られた逆フーリエ変換画像を示す写真である。具体的に、図6B(E)は、図4(C)に示す実施例5のHAADF−STEM観察画像(低倍率)の四角で囲んだ部位を拡大した観察画像(高倍率)を示す写真であり、図6B(F)は、図6B(E)の観察画像から得られた実施例5の逆フーリエ変換画像である。同様に、図6B(G)は、図4(D)に示す比較例のHAADF−STEM観察画像(低倍率)の四角で囲んだ部位を拡大した観察画像(高倍率)を示す写真であり、図6B(H)は、図6B(G)の観察画像から得られた比較例の逆フーリエ変換画像である。6B is an observation image (high magnification) obtained by enlarging the portion surrounded by the square of the HAADF-STEM observation image (low magnification) shown in FIG. 4 for the negative electrode active material (silicon-containing alloy) of Example 5 and Comparative Example. It is the photograph which shows the photograph which shows, and the inverse Fourier transform image obtained from the said observation image. Specifically, FIG. 6B (E) is a photograph showing an observation image (high magnification) obtained by enlarging a portion surrounded by a square of the HAADF-STEM observation image (low magnification) of Example 5 shown in FIG. 4 (C). FIG. 6B (F) is an inverse Fourier transform image of Example 5 obtained from the observation image of FIG. 6B (E). Similarly, FIG. 6B (G) is a photograph showing an observation image (high magnification) obtained by enlarging a portion surrounded by a square of the HAADF-STEM observation image (low magnification) of the comparative example shown in FIG. 4 (D). FIG. 6B (H) is an inverse Fourier transform image of a comparative example obtained from the observation image of FIG. 6B (G). 図7Aは、実施例1の負極活物質(ケイ素含有合金)の微細組織構造をHAADF−STEMにより観察した観察画像(HAADF−STEM像)とその拡大画像、および、当該拡大画像における黒色部(a−Si相)および灰色部(シリサイド(TiSi)相)の領域を高速フーリエ変換処理して得られた回折図形を示す写真である。FIG. 7A shows an observation image (HAADF-STEM image) obtained by observing the microstructure of the negative electrode active material (silicon-containing alloy) of Example 1 with HAADF-STEM, an enlarged image thereof, and a black portion (a -Si phase) and gray portions of the area of (silicide (TiSi 2) phase) is a photograph showing a diffraction pattern obtained by fast Fourier transform. 図7Bは、実施例3の負極活物質(ケイ素含有合金)の微細組織構造をHAADF−STEMにより観察した観察画像(HAADF−STEM像)とその拡大画像、および、当該拡大画像における黒色部(a−Si相)および灰色部(シリサイド(TiSi)相)の領域を高速フーリエ変換処理して得られた回折図形を示す写真である。FIG. 7B shows an observation image (HAADF-STEM image) obtained by observing the microstructure of the negative electrode active material (silicon-containing alloy) of Example 3 with HAADF-STEM, an enlarged image thereof, and a black portion (a -Si phase) and gray portions of the area of (silicide (TiSi 2) phase) is a photograph showing a diffraction pattern obtained by fast Fourier transform. 図7Cは、実施例4の負極活物質(ケイ素含有合金)の微細組織構造をHAADF−STEMにより観察した観察画像(HAADF−STEM像)とその拡大画像、および、当該拡大画像における黒色部(a−Si相)および灰色部(シリサイド(TiSi)相)の領域を高速フーリエ変換処理して得られた回折図形を示す写真である。FIG. 7C shows an observation image (HAADF-STEM image) obtained by observing the microstructure of the negative electrode active material (silicon-containing alloy) of Example 4 with HAADF-STEM, an enlarged image thereof, and a black portion (a -Si phase) and gray portions of the area of (silicide (TiSi 2) phase) is a photograph showing a diffraction pattern obtained by fast Fourier transform. 図7Dは、実施例5の負極活物質(ケイ素含有合金)の微細組織構造をHAADF−STEMにより観察した観察画像(HAADF−STEM像)とその拡大画像、および、当該拡大画像における黒色部(a−Si相)および灰色部(シリサイド(TiSi)相)の領域を高速フーリエ変換処理して得られた回折図形を示す写真である。FIG. 7D shows an observation image (HAADF-STEM image) obtained by observing the microstructure of the negative electrode active material (silicon-containing alloy) of Example 5 with HAADF-STEM, an enlarged image thereof, and a black portion (a -Si phase) and gray portions of the area of (silicide (TiSi 2) phase) is a photograph showing a diffraction pattern obtained by fast Fourier transform. 図7Eは、比較例の負極活物質(ケイ素含有合金)の微細組織構造をHAADF−STEMにより観察した観察画像(HAADF−STEM像)とその拡大画像、および、当該拡大画像における黒色部(a−Si相)および灰色部(シリサイド(TiSi)相)の領域を高速フーリエ変換処理して得られた回折図形を示す写真である。FIG. 7E shows an observation image (HAADF-STEM image) obtained by observing the microstructure of the negative electrode active material (silicon-containing alloy) of the comparative example with HAADF-STEM, an enlarged image thereof, and a black portion (a- Si phase) and gray portions of the area of (silicide (TiSi 2) phase) is a photograph showing a diffraction pattern obtained by fast Fourier transform. 図7Fは、実施例1、3〜5および比較例の負極活物質(ケイ素含有合金)についてのXRDチャートである。FIG. 7F is an XRD chart for the negative electrode active materials (silicon-containing alloys) of Examples 1 and 3 to 5 and the comparative example.

以下、図面を参照しながら、本発明の電気デバイス用負極活物質およびこれを用いてなる電気デバイスの実施形態を説明する。但し、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみには制限されない。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。   Hereinafter, embodiments of a negative electrode active material for an electric device of the present invention and an electric device using the same will be described with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention should be determined based on the description of the scope of claims, and is not limited to the following modes. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In addition, the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may be different from the actual ratios.

以下、本発明の電気デバイス用負極活物質が適用されうる電気デバイスの基本的な構成を、図面を用いて説明する。本実施形態では、電気デバイスとしてリチウムイオン二次電池を例示して説明する。   Hereinafter, a basic configuration of an electric device to which the negative electrode active material for an electric device of the present invention can be applied will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, a lithium ion secondary battery will be described as an example of an electric device.

まず、本発明に係る電気デバイス用負極活物質を含む負極の代表的な一実施形態であるリチウムイオン二次電池用の負極およびこれを用いてなるリチウムイオン二次電池では、セル(単電池層)の電圧が大きく、高エネルギー密度、高出力密度が達成できる。そのため本実施形態のリチウムイオン二次電池用の負極活物質を用いてなるリチウムイオン二次電池では、車両の駆動電源用や補助電源用として優れている。その結果、車両の駆動電源用等のリチウムイオン二次電池として好適に利用できる。このほかにも、携帯電話などの携帯機器向けのリチウムイオン二次電池にも十分に適用可能である。   First, in a negative electrode for a lithium ion secondary battery, which is a typical embodiment of a negative electrode including a negative electrode active material for an electric device according to the present invention, and a lithium ion secondary battery using the same, a cell (single cell layer) ) Voltage is large, and high energy density and high power density can be achieved. Therefore, the lithium ion secondary battery using the negative electrode active material for the lithium ion secondary battery of the present embodiment is excellent as a vehicle driving power source or an auxiliary power source. As a result, it can be suitably used as a lithium ion secondary battery for a vehicle driving power source or the like. In addition to this, the present invention can be sufficiently applied to lithium ion secondary batteries for portable devices such as mobile phones.

すなわち、本実施形態の対象となるリチウムイオン二次電池は、以下に説明する本実施形態のリチウムイオン二次電池用の負極活物質を用いてなるものであればよく、他の構成要件に関しては、特に制限されるべきものではない。   That is, the lithium ion secondary battery that is the subject of the present embodiment may be any one that uses the negative electrode active material for the lithium ion secondary battery of the present embodiment described below. It should not be restricted in particular.

例えば、上記リチウムイオン二次電池を形態・構造で区別した場合には、積層型(扁平型)電池、巻回型(円筒型)電池など、従来公知のいずれの形態・構造にも適用し得るものである。積層型(扁平型)電池構造を採用することで簡単な熱圧着などのシール技術により長期信頼性を確保でき、コスト面や作業性の点では有利である。   For example, when the lithium ion secondary battery is distinguished by form / structure, it can be applied to any conventionally known form / structure such as a stacked (flat) battery or a wound (cylindrical) battery. Is. By adopting a stacked (flat) battery structure, long-term reliability can be secured by a sealing technique such as simple thermocompression bonding, which is advantageous in terms of cost and workability.

また、リチウムイオン二次電池内の電気的な接続形態(電極構造)で見た場合、非双極型(内部並列接続タイプ)電池および双極型(内部直列接続タイプ)電池のいずれにも適用し得るものである。   Moreover, when viewed in terms of electrical connection form (electrode structure) in a lithium ion secondary battery, it can be applied to both non-bipolar (internal parallel connection type) batteries and bipolar (internal series connection type) batteries. Is.

リチウムイオン二次電池内の電解質層の種類で区別した場合には、電解質層に非水系の電解液等の溶液電解質を用いた溶液電解質型電池、電解質層に高分子電解質を用いたポリマー電池など従来公知のいずれの電解質層のタイプにも適用し得るものである。該ポリマー電池は、さらに高分子ゲル電解質(単にゲル電解質ともいう)を用いたゲル電解質型電池、高分子固体電解質(単にポリマー電解質ともいう)を用いた固体高分子(全固体)型電池に分けられる。   When distinguished by the type of electrolyte layer in the lithium ion secondary battery, a solution electrolyte type battery using a solution electrolyte such as a nonaqueous electrolyte solution for the electrolyte layer, a polymer battery using a polymer electrolyte for the electrolyte layer, etc. It can be applied to any conventionally known electrolyte layer type. The polymer battery is further divided into a gel electrolyte type battery using a polymer gel electrolyte (also simply referred to as gel electrolyte) and a solid polymer (all solid) type battery using a polymer solid electrolyte (also simply referred to as polymer electrolyte). It is done.

したがって、以下の説明では、本実施形態のリチウムイオン二次電池用の負極活物質を用いてなる非双極型(内部並列接続タイプ)リチウムイオン二次電池につき図面を用いてごく簡単に説明する。但し、本実施形態のリチウムイオン二次電池の技術的範囲が、これらに制限されるべきものではない。   Therefore, in the following description, the non-bipolar (internal parallel connection type) lithium ion secondary battery using the negative electrode active material for the lithium ion secondary battery of this embodiment will be described very simply with reference to the drawings. However, the technical scope of the lithium ion secondary battery of the present embodiment should not be limited to these.

<電池の全体構造>
図1は、本発明の電気デバイスの代表的な一実施形態である、扁平型(積層型)のリチウムイオン二次電池(以下、単に「積層型電池」ともいう)の全体構造を模式的に表した断面概略図である。
<Overall battery structure>
FIG. 1 schematically shows the overall structure of a flat (stacked) lithium ion secondary battery (hereinafter also simply referred to as “stacked battery”), which is a typical embodiment of the electrical device of the present invention. FIG.

図1に示すように、本実施形態の積層型電池10は、実際に充放電反応が進行する略矩形の発電要素21が、外装体であるラミネートシート29の内部に封止された構造を有する。ここで、発電要素21は、正極集電体12の両面に正極活物質層15が配置された正極と、電解質層17と、負極集電体11の両面に負極活物質層13が配置された負極とを積層した構成を有している。具体的には、1つの正極活物質層15とこれに隣接する負極活物質層13とが、電解質層17を介して対向するようにして、負極、電解質層および正極がこの順に積層されている。   As shown in FIG. 1, the stacked battery 10 of the present embodiment has a structure in which a substantially rectangular power generation element 21 in which a charge / discharge reaction actually proceeds is sealed inside a laminate sheet 29 that is an exterior body. . Here, in the power generation element 21, the positive electrode in which the positive electrode active material layer 15 is disposed on both surfaces of the positive electrode current collector 12, the electrolyte layer 17, and the negative electrode active material layer 13 is disposed on both surfaces of the negative electrode current collector 11. It has a configuration in which a negative electrode is laminated. Specifically, the negative electrode, the electrolyte layer, and the positive electrode are laminated in this order so that one positive electrode active material layer 15 and the negative electrode active material layer 13 adjacent thereto face each other with the electrolyte layer 17 therebetween. .

これにより、隣接する正極、電解質層、および負極は、1つの単電池層19を構成する。したがって、図1に示す積層型電池10は、単電池層19が複数積層されることで、電気的に並列接続されてなる構成を有するともいえる。なお、発電要素21の両最外層に位置する最外層の正極集電体には、いずれも片面のみに正極活物質層15が配置されているが、両面に活物質層が設けられてもよい。すなわち、片面にのみ活物質層を設けた最外層専用の集電体とするのではなく、両面に活物質層がある集電体をそのまま最外層の集電体として用いてもよい。また、図1とは正極および負極の配置を逆にすることで、発電要素21の両最外層に最外層の負極集電体が位置するようにし、該最外層の負極集電体の片面または両面に負極活物質層が配置されているようにしてもよい。   Thereby, the adjacent positive electrode, electrolyte layer, and negative electrode constitute one unit cell layer 19. Therefore, it can be said that the stacked battery 10 shown in FIG. 1 has a configuration in which a plurality of single battery layers 19 are stacked and electrically connected in parallel. The positive electrode current collector 15 located on both outermost layers of the power generation element 21 has the positive electrode active material layer 15 disposed only on one side, but the active material layers may be provided on both sides. . That is, instead of using a current collector dedicated to the outermost layer provided with an active material layer only on one side, a current collector having an active material layer on both sides may be used as it is as an outermost current collector. Further, by reversing the arrangement of the positive electrode and the negative electrode as compared with FIG. 1, the outermost negative electrode current collector is positioned on both outermost layers of the power generation element 21, and one side of the outermost negative electrode current collector or A negative electrode active material layer may be disposed on both sides.

正極集電体12および負極集電体11は、各電極(正極および負極)と導通される正極集電板27および負極集電板25がそれぞれ取り付けられ、ラミネートシート29の端部に挟まれるようにしてラミネートシート29の外部に導出される構造を有している。正極集電板27および負極集電板25は、それぞれ必要に応じて正極リードおよび負極リード(図示せず)を介して、各電極の正極集電体12および負極集電体11に超音波溶接や抵抗溶接等により取り付けられていてもよい。   The positive electrode current collector 12 and the negative electrode current collector 11 are attached to the positive electrode current collector plate 27 and the negative electrode current collector plate 25 that are electrically connected to the respective electrodes (positive electrode and negative electrode), and are sandwiched between the end portions of the laminate sheet 29. Thus, it has a structure led out of the laminate sheet 29. The positive electrode current collector 27 and the negative electrode current collector 25 are ultrasonically welded to the positive electrode current collector 12 and the negative electrode current collector 11 of each electrode via a positive electrode lead and a negative electrode lead (not shown), respectively, as necessary. Or resistance welding or the like.

上記で説明したリチウムイオン二次電池は、負極に特徴を有する。以下、当該負極を含めた電池の主要な構成部材について説明する。   The lithium ion secondary battery described above is characterized by a negative electrode. Hereinafter, main components of the battery including the negative electrode will be described.

<活物質層>
活物質層13または15は活物質を含み、必要に応じてその他の添加剤をさらに含む。
<Active material layer>
The active material layer 13 or 15 contains an active material, and further contains other additives as necessary.

[正極活物質層]
正極活物質層15は、正極活物質を含む。
[Positive electrode active material layer]
The positive electrode active material layer 15 includes a positive electrode active material.

(正極活物質)
正極活物質としては、例えば、LiMn、LiCoO、LiNiO、Li(Ni−Mn−Co)Oおよびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの等のリチウム−遷移金属複合酸化物、リチウム−遷移金属リン酸化合物、リチウム−遷移金属硫酸化合物などが挙げられる。場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。好ましくは、容量、出力特性の観点から、リチウム−遷移金属複合酸化物が、正極活物質として用いられる。より好ましくはリチウムとニッケルとを含有する複合酸化物が用いられ、さらに好ましくはLi(Ni−Mn−Co)Oおよびこれらの遷移金属の一部が他の元素により置換されたもの(以下、単に「NMC複合酸化物」とも称する)が用いられる。NMC複合酸化物は、リチウム原子層と遷移金属(Mn、NiおよびCoが秩序正しく配置)原子層とが酸素原子層を介して交互に積み重なった層状結晶構造を持ち、遷移金属Mの1原子あたり1個のLi原子が含まれ、取り出せるLi量が、スピネル系リチウムマンガン酸化物の2倍、つまり供給能力が2倍になり、高い容量を持つことができる。
(Positive electrode active material)
Examples of the positive electrode active material include LiMn 2 O 4 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , Li (Ni—Mn—Co) O 2, and lithium-such as those obtained by replacing some of these transition metals with other elements. Examples include transition metal composite oxides, lithium-transition metal phosphate compounds, and lithium-transition metal sulfate compounds. In some cases, two or more positive electrode active materials may be used in combination. Preferably, a lithium-transition metal composite oxide is used as the positive electrode active material from the viewpoint of capacity and output characteristics. More preferably, a composite oxide containing lithium and nickel is used, and more preferably Li (Ni-Mn-Co) O 2 and a part of these transition metals substituted with other elements (hereinafter, Simply referred to as “NMC composite oxide”). The NMC composite oxide has a layered crystal structure in which a lithium atomic layer and a transition metal (Mn, Ni, and Co are arranged in order) are stacked alternately via an oxygen atomic layer. One Li atom is contained, and the amount of Li that can be taken out is twice that of the spinel lithium manganese oxide, that is, the supply capacity is doubled, so that a high capacity can be obtained.

NMC複合酸化物は、上述したように、遷移金属元素の一部が他の金属元素により置換されている複合酸化物も含む。その場合の他の元素としては、Ti、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、Sr、Cr、Fe、B、Ga、In、Si、Mo、Y、Sn、V、Cu、Ag、Znなどが挙げられ、好ましくは、Ti、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、Sr、Crであり、より好ましくは、Ti、Zr、P、Al、Mg、Crであり、サイクル特性向上の観点から、さらに好ましくは、Ti、Zr、Al、Mg、Crである。   As described above, the NMC composite oxide includes a composite oxide in which a part of the transition metal element is substituted with another metal element. Other elements in that case include Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr, Cr, Fe, B, Ga, In, Si, Mo, Y, Sn, V, Cu , Ag, Zn, etc., preferably Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr, Cr, more preferably Ti, Zr, P, Al, Mg, From the viewpoint of improving cycle characteristics, Ti, Zr, Al, Mg, and Cr are more preferable.

NMC複合酸化物は、理論放電容量が高いことから、好ましくは、一般式(1):LiNiMnCo(但し、式中、a、b、c、d、xは、0.9≦a≦1.2、0<b<1、0<c≦0.5、0<d≦0.5、0≦x≦0.3、b+c+d=1を満たす。MはTi、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、Sr、Crから選ばれる元素で少なくとも1種類である)で表される組成を有する。ここで、aは、Liの原子比を表し、bは、Niの原子比を表し、cは、Mnの原子比を表し、dは、Coの原子比を表し、xは、Mの原子比を表す。サイクル特性の観点からは、一般式(1)において、0.4≦b≦0.6であることが好ましい。なお、各元素の組成は、例えば、プラズマ(ICP)発光分析法により測定できる。 Since the NMC composite oxide has a high theoretical discharge capacity, it is preferable that the general formula (1): Li a Ni b Mn c Co d M x O 2 (where a, b, c, d, x Satisfies 0.9 ≦ a ≦ 1.2, 0 <b <1, 0 <c ≦ 0.5, 0 <d ≦ 0.5, 0 ≦ x ≦ 0.3, and b + c + d = 1. And at least one element selected from Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr, and Cr. Here, a represents the atomic ratio of Li, b represents the atomic ratio of Ni, c represents the atomic ratio of Mn, d represents the atomic ratio of Co, and x represents the atomic ratio of M. Represents. From the viewpoint of cycle characteristics, it is preferable that 0.4 ≦ b ≦ 0.6 in the general formula (1). The composition of each element can be measured by, for example, plasma (ICP) emission spectrometry.

一般に、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)およびマンガン(Mn)は、材料の純度向上および電子伝導性向上という観点から、容量および出力特性に寄与することが知られている。Ti等は、結晶格子中の遷移金属を一部置換するものである。サイクル特性の観点からは、遷移元素の一部が他の金属元素により置換されていることが好ましく、特に一般式(1)において0<x≦0.3であることが好ましい。Ti、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、SrおよびCrからなる群から選ばれる少なくとも1種が固溶することにより結晶構造が安定化されるため、その結果、充放電を繰り返しても電池の容量低下が防止でき、優れたサイクル特性が実現し得ると考えられる。   In general, nickel (Ni), cobalt (Co), and manganese (Mn) are known to contribute to capacity and output characteristics from the viewpoint of improving the purity of materials and improving electronic conductivity. Ti or the like partially replaces the transition metal in the crystal lattice. From the viewpoint of cycle characteristics, it is preferable that a part of the transition element is substituted with another metal element, and it is particularly preferable that 0 <x ≦ 0.3 in the general formula (1). Since at least one selected from the group consisting of Ti, Zr, Nb, W, P, Al, Mg, V, Ca, Sr, and Cr is dissolved, the crystal structure is stabilized. It is considered that the battery capacity can be prevented from decreasing even if the above is repeated, and that excellent cycle characteristics can be realized.

より好ましい実施形態としては、一般式(1)において、b、cおよびdが、0.44≦b≦0.51、0.27≦c≦0.31、0.19≦d≦0.26であることが、容量と寿命特性とのバランスを向上させるという観点からは好ましい。例えば、LiNi0.5Mn0.3Co0.2は、一般的な民生電池で実績のあるLiCoO、LiMn、LiNi1/3Mn1/3Co1/3などと比較して、単位重量あたりの容量が大きく、エネルギー密度の向上が可能となることでコンパクトかつ高容量の電池を作製できるという利点を有しており、航続距離の観点からも好ましい。なお、より容量が大きいという点ではLiNi0.8Co0.1Al0.1がより有利であるが、寿命特性に難がある。これに対し、LiNi0.5Mn0.3Co0.2はLiNi1/3Mn1/3Co1/3並みに優れた寿命特性を有しているのである。 As a more preferable embodiment, in the general formula (1), b, c and d are 0.44 ≦ b ≦ 0.51, 0.27 ≦ c ≦ 0.31, 0.19 ≦ d ≦ 0.26. It is preferable from the viewpoint of improving the balance between capacity and life characteristics. For example, LiNi 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 O 2 is LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2, etc. that have been proven in general consumer batteries. Compared to the above, the capacity per unit weight is large, and the energy density can be improved, so that a battery having a compact and high capacity can be produced, which is preferable from the viewpoint of cruising distance. In addition, LiNi 0.8 Co 0.1 Al 0.1 O 2 is more advantageous in terms of a larger capacity, but there are difficulties in life characteristics. On the other hand, LiNi 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 O 2 has life characteristics as excellent as LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 .

場合によっては、2種以上の正極活物質が併用されてもよい。好ましくは、容量、出力特性の観点から、リチウム−遷移金属複合酸化物が、正極活物質として用いられる。なお、上記以外の正極活物質が用いられてもよいことは勿論である。   In some cases, two or more positive electrode active materials may be used in combination. Preferably, a lithium-transition metal composite oxide is used as the positive electrode active material from the viewpoint of capacity and output characteristics. Of course, positive electrode active materials other than those described above may be used.

正極活物質層15に含まれる正極活物質の平均粒子径は特に制限されないが、高出力化の観点からは、好ましくは1〜30μmであり、より好ましくは5〜20μmである。なお、本明細書において、「粒子径」とは、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用いて観察される活物質粒子(観察面)の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の距離を意味する。また、本明細書において、「平均粒子径」の値は、走査型電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)などの観察手段を用い、数〜数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。他の構成成分の粒子径や平均粒子径も同様に定義することができる。   The average particle diameter of the positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer 15 is not particularly limited, but is preferably 1 to 30 μm, more preferably 5 to 20 μm from the viewpoint of increasing the output. In the present specification, the “particle diameter” refers to the outline of the active material particles (observation surface) observed using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). It means the maximum distance among any two points. In this specification, the value of “average particle diameter” is the value of particles observed in several to several tens of fields using an observation means such as a scanning electron microscope (SEM) or a transmission electron microscope (TEM). The value calculated as the average value of the particle diameter shall be adopted. The particle diameters and average particle diameters of other components can be defined in the same manner.

正極活物質層15は、バインダを含みうる。   The positive electrode active material layer 15 can include a binder.

(バインダ)
バインダは、活物質同士または活物質と集電体とを結着させて電極構造を維持する目的で添加される。正極活物質層に用いられるバインダとしては、特に限定されないが、例えば、以下の材料が挙げられる。ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、セルロース、カルボキシメチルセルロース(CMC)、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム、エチレン・プロピレン・ジエン共重合体、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物などの熱可塑性高分子、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等のフッ素樹脂、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−HFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−HFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−PFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFMVE−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−クロロトリフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−CTFE系フッ素ゴム)等のビニリデンフルオライド系フッ素ゴム、エポキシ樹脂等が挙げられる。中でも、ポリフッ化ビニリデン、ポリイミド、スチレン・ブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリアミド、ポリアミドイミドであることがより好ましい。これらの好適なバインダは、耐熱性に優れ、さらに電位窓が非常に広く正極電位、負極電位双方に安定であり活物質層に使用が可能となる。これらのバインダは、1種単独で用いてもよいし、2種併用してもよい。
(Binder)
The binder is added for the purpose of maintaining the electrode structure by binding the active materials or the active material and the current collector. Although it does not specifically limit as a binder used for a positive electrode active material layer, For example, the following materials are mentioned. Polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate (PET), polyether nitrile (PEN), polyacrylonitrile, polyimide, polyamide, polyamideimide, cellulose, carboxymethyl cellulose (CMC), ethylene-vinyl acetate copolymer, polyvinyl chloride, styrene / butadiene Rubber (SBR), isoprene rubber, butadiene rubber, ethylene / propylene rubber, ethylene / propylene / diene copolymer, styrene / butadiene / styrene block copolymer and hydrogenated product thereof, styrene / isoprene / styrene block copolymer and Thermoplastic polymers such as hydrogenated products, polyvinylidene fluoride (PVdF), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene hexafluoropropylene Copolymer (FEP), tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene / tetrafluoroethylene copolymer (ETFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), ethylene / chlorotrifluoroethylene Fluororesin such as copolymer (ECTFE), polyvinyl fluoride (PVF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-based fluororubber (VDF-HFP-based fluororubber), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene-based fluorine Rubber (VDF-HFP-TFE fluorine rubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene fluorine rubber (VDF-PFP fluorine rubber), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene-teto Fluoroethylene fluororubber (VDF-PFP-TFE fluororubber), vinylidene fluoride-perfluoromethyl vinyl ether-tetrafluoroethylene fluororubber (VDF-PFMVE-TFE fluororubber), vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene Vinylidene fluoride-based fluororubbers such as epoxy-based fluororubbers (VDF-CTFE-based fluororubbers), and epoxy resins. Among these, polyvinylidene fluoride, polyimide, styrene / butadiene rubber, carboxymethyl cellulose, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyacrylonitrile, polyamide, and polyamideimide are more preferable. These suitable binders are excellent in heat resistance, have a very wide potential window, are stable at both the positive electrode potential and the negative electrode potential, and can be used for the active material layer. These binders may be used alone or in combination of two.

正極活物質層中に含まれるバインダ量は、活物質を結着することができる量であれば特に限定されるものではないが、好ましくは活物質層に対して、0.5〜15質量%であり、より好ましくは1〜10質量%である。   The amount of the binder contained in the positive electrode active material layer is not particularly limited as long as it is an amount capable of binding the active material, but is preferably 0.5 to 15% by mass with respect to the active material layer. More preferably, it is 1-10 mass%.

正極(正極活物質層)は、通常のスラリーを塗布(コーティング)する方法のほか、混練法、スパッタ法、蒸着法、CVD法、PVD法、イオンプレーティング法および溶射法のいずれかの方法によって形成することができる。   The positive electrode (positive electrode active material layer) can be applied by any one of a kneading method, a sputtering method, a vapor deposition method, a CVD method, a PVD method, an ion plating method, and a thermal spraying method in addition to a method of applying (coating) a normal slurry. Can be formed.

[負極活物質層]
負極活物質層13は、負極活物質を含む。
[Negative electrode active material layer]
The negative electrode active material layer 13 includes a negative electrode active material.

(負極活物質)
本実施形態において、負極活物質は、ケイ素含有合金からなる。以下、本実施形態に係るケイ素含有合金の組成や構造、物性について説明するが、本実施形態に係る当該ケイ素含有合金は、以下に記載する(A)〜(D)の規定を満足することを必須としており、また、(E)および(F)の規定を満足することがより好ましい。
(Negative electrode active material)
In the present embodiment, the negative electrode active material is made of a silicon-containing alloy. Hereinafter, although the composition, structure, and physical properties of the silicon-containing alloy according to this embodiment will be described, the silicon-containing alloy according to this embodiment satisfies the following provisions (A) to (D). It is essential that the requirements (E) and (F) be satisfied.

本実施形態における負極活物質を構成するケイ素含有合金は、まず、Si−Sn−M(Mは1または2以上の遷移金属元素である)で表される三元系の合金組成を有している。より具体的に、本実施形態における負極活物質を構成するケイ素含有合金は、下記化学式(I)で表される組成を有するものである(規定(A))。   The silicon-containing alloy constituting the negative electrode active material in the present embodiment first has a ternary alloy composition represented by Si—Sn-M (M is one or more transition metal elements). Yes. More specifically, the silicon-containing alloy constituting the negative electrode active material in the present embodiment has a composition represented by the following chemical formula (I) (regulation (A)).

上記化学式(I)において、Aは、不可避不純物であり、Mは、1または2以上の遷移金属元素であり、x、y、z、およびaは、質量%の値を表し、この際、0<x<100、0<y<100、0<z<100、および0≦a<0.5であり、x+y+z+a=100である。   In the above chemical formula (I), A is an inevitable impurity, M is one or more transition metal elements, and x, y, z, and a represent mass% values, where 0 <X <100, 0 <y <100, 0 <z <100, and 0 ≦ a <0.5, and x + y + z + a = 100.

上記化学式(I)から明らかなように、本実施形態に係るケイ素含有合金(SiSnの組成を有するもの)は、Si、SnおよびM(遷移金属)の三元系である。かような組成を有することで、高いサイクル耐久性の実現が可能となる。また、本明細書において「不可避不純物」とは、Si含有合金において、原料中に存在したり、製造工程において不可避的に混入したりするものを意味する。当該不可避不純物は、本来は不要なものであるが、微量であり、Si合金の特性に影響を及ぼさないため、許容されている不純物である。 As apparent from the chemical formula (I), the silicon-containing alloy (having the composition of Si x Sn y M z A a ) according to the present embodiment is a ternary system of Si, Sn, and M (transition metal). is there. By having such a composition, high cycle durability can be realized. Further, in the present specification, the “inevitable impurities” means an Si-containing alloy that exists in a raw material or is inevitably mixed in a manufacturing process. The inevitable impurities are originally unnecessary impurities, but are a very small amount and do not affect the characteristics of the Si alloy.

本実施形態において特に好ましくは、負極活物質(ケイ素含有合金)への添加元素(M;遷移金属)としてTiを選択することで、Li合金化の際に、アモルファス−結晶の相転移を抑制してサイクル寿命を向上させることができる。また、これによって、従来の負極活物質(例えば、炭素系負極活物質)よりも高容量のものとなる。したがって、本発明の好ましい実施形態によると、上記化学式(I)で表される組成において、Mがチタン(Ti)であることが好ましい。   In the present embodiment, particularly preferably, Ti is selected as an additive element (M; transition metal) to the negative electrode active material (silicon-containing alloy) to suppress amorphous-crystal phase transition during Li alloying. Cycle life can be improved. This also increases the capacity of conventional negative electrode active materials (for example, carbon-based negative electrode active materials). Therefore, according to a preferred embodiment of the present invention, in the composition represented by the chemical formula (I), M is preferably titanium (Ti).

ここで、Si系負極活物質では、充電時にSiとLiとが合金化する際、Si相がアモルファス状態から結晶状態へと転移して大きな体積変化(約4倍)を起こす。その結果、活物質粒子自体が壊れてしまい、活物質としての機能が失われてしまうという問題がある。このため、充電時におけるSi相のアモルファス−結晶の相転移を抑制することで粒子自体の崩壊を抑制することができ、活物質としての機能(高容量)が保持され、サイクル寿命も向上させることができる。   Here, in the Si-based negative electrode active material, when Si and Li are alloyed during charging, the Si phase transitions from the amorphous state to the crystalline state, causing a large volume change (about 4 times). As a result, there is a problem that the active material particles themselves are broken and the function as the active material is lost. For this reason, by suppressing the phase transition of the Si-phase amorphous-crystal during charging, the particle itself can be prevented from collapsing, the function (high capacity) as an active material is maintained, and the cycle life is also improved. Can do.

上述したように、本実施形態に係るケイ素含有合金(SiSnの組成を有するもの)は、Si、SnおよびM(遷移金属)の三元系である。ここで、各構成元素の構成比(質量比x、y、z)の合計は100質量%であるが、x、y、zのそれぞれの値について特に制限はない。xについては、充放電(Liイオンの挿入脱離)に対する耐久性の保持および初期容量のバランスという観点から、好ましくは60≦x≦73であり、より好ましくは60≦x≦70であり、さらに好ましくは60≦x≦65である。また、yについては、Si相中に固溶し、Si相中のSi正四面体間距離を増大させることにより、充放電時の可逆的Liイオンの挿入脱離を可能にするという観点から、好ましくは2≦y≦15であり、より好ましくは2≦y≦10であり、さらに好ましくは5≦y≦10である。そして、zについては、xと同様に充放電(Liイオンの挿入脱離)に対する耐久性の保持および初期容量のバランスという観点から、好ましくは25≦z≦35であり、より好ましくは27≦z≦33であり、さらに好ましくは28≦z≦30である。このように、Siを主成分としつつ、Tiを比較的多めに含ませ、かつ、Snについてもある程度含ませることで、本実施形態に係るケイ素含有合金の微細組織構造を達成しやすくなる。ただし、上述した各構成元素の構成比の数値範囲はあくまでも好ましい実施形態を説明するものに過ぎず、特許請求の範囲に含まれている限り、本発明の技術的範囲内のものである。 As described above, the silicon-containing alloy according to this embodiment (having the composition of Si x Sn y M z A a ) is a ternary system of Si, Sn, and M (transition metal). Here, the sum of the constituent ratios (mass ratios x, y, z) of the constituent elements is 100% by mass, but there is no particular limitation on the values of x, y, z. x is preferably 60 ≦ x ≦ 73, more preferably 60 ≦ x ≦ 70, from the viewpoint of maintaining durability against charge / discharge (insertion / desorption of Li ions) and the balance of initial capacity, Preferably 60 ≦ x ≦ 65. In addition, y is dissolved in the Si phase, and by increasing the distance between Si tetrahedrons in the Si phase, from the viewpoint of enabling reversible insertion and desorption of Li ions during charge and discharge, Preferably 2 ≦ y ≦ 15, more preferably 2 ≦ y ≦ 10, and further preferably 5 ≦ y ≦ 10. Z is preferably 25 ≦ z ≦ 35, more preferably 27 ≦ z, from the viewpoint of maintaining durability against charge / discharge (insertion / desorption of Li ions) and balancing the initial capacity, similarly to x. ≦ 33, more preferably 28 ≦ z ≦ 30. Thus, it becomes easy to achieve the microstructure of the silicon-containing alloy according to the present embodiment by containing a relatively large amount of Ti while containing Si as a main component and also including Sn to some extent. However, the numerical ranges of the constituent ratios of the constituent elements described above are merely for explaining preferred embodiments, and are within the technical scope of the present invention as long as they are included in the claims.

なお、Aは上述のように、原料や製法に由来する上記3成分以外の不純物(不可避不純物)である。前記aは、0≦a<0.5であり、0≦a<0.1であることが好ましい。負極活物質(ケイ素含有合金)が上記化学式(I)の組成を有するか否かは、蛍光X線分析(XRF)による定性分析、および誘導結合プラズマ(ICP)発光分光分析法による定量分析により確認することが可能である。   As described above, A is an impurity (unavoidable impurity) other than the three components derived from the raw materials and the manufacturing method. The a is 0 ≦ a <0.5, and preferably 0 ≦ a <0.1. Whether or not the negative electrode active material (silicon-containing alloy) has the composition of the above chemical formula (I) is confirmed by qualitative analysis by fluorescent X-ray analysis (XRF) and quantitative analysis by inductively coupled plasma (ICP) emission spectroscopy. Is possible.

続いて、本実施形態における負極活物質を構成するケイ素含有合金は、a−Si相がシリサイド相中に分散されてなる構造を有する点にも特徴がある(規定(B))。すなわち、連続相としてのシリサイド相からなる海の中に、分散相としてのa−Si相からなる島が分散しているいわゆる海島構造を有することが、本実施形態に係るケイ素含有合金の特徴の1つである。なお、ケイ素含有合金がこのような微細組織構造を有しているか否かは、例えば、後述する実施例の欄において説明するように、ケイ素含有合金を高角度環状暗視野走査透過型電子顕微鏡(HAADF−STEM)を用いて観察した後、観察画像と同じ視野についてEDX(エネルギー分散型X線分光法)により元素強度マッピングを行うことにより確認することができる。   Subsequently, the silicon-containing alloy constituting the negative electrode active material in the present embodiment is also characterized in that it has a structure in which an a-Si phase is dispersed in a silicide phase (regulation (B)). That is, the feature of the silicon-containing alloy according to the present embodiment is that it has a so-called sea-island structure in which islands composed of a-Si phases as dispersed phases are dispersed in a sea composed of silicide phases as continuous phases. One. Whether or not the silicon-containing alloy has such a microstructure is determined by, for example, using a high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscope (see FIG. After observing using HAADF-STEM), the same visual field as the observed image can be confirmed by performing element intensity mapping by EDX (energy dispersive X-ray spectroscopy).

〈a−Si相〉
ここで、本実施形態に係るケイ素含有合金において、a−Si相は、ケイ素の結晶構造の内部にスズが固溶してなる非晶質または低結晶性のケイ素を含む相である。このa−Si相は、本実施形態の電気デバイス(リチウムイオン二次電池)の作動時にリチウムイオンの吸蔵・放出に関与する相であり、電気化学的にリチウムと反応可能(すなわち、重量あたりおよび体積あたりに多量のリチウムを吸蔵・放出することが可能)な相である。また、a−Si相を構成するケイ素の結晶構造の内部にはスズが固溶しているが、ケイ素は電子伝導性に乏しいことから、母相にはリンやホウ素などの微量の添加元素や遷移金属などが含まれていてもよい。a−Si相のサイズについて特に制限はないが、充電時の膨張を抑制するという観点から、a−Si相のサイズは小さいほど好ましく、具体的には10nm以下であることが好ましく、8nm以下であることがより好ましい。一方、a−Si相のサイズの下限値についても特に制限はないが、好ましくは1nm以上であり、より好ましくは2nm以上であり、さらに好ましくは5nm以上であり、特に好ましくは8nm以上である。なお、a−Si相の直径の値については、HAADF−STEMでの高倍率(25nmスケールバー)のSiのEDX元素マッピングおよびM(例えば、Ti)のEDX元素マッピングを比較し、Siが存在しMが存在しない領域をSi相とみなし、MのEDX元素マッピングで強度が最大値の1/10を閾値とし、この閾値以下となる領域について二値化画像処理を行い、得られた二値化画像より、各Si相の寸法を読み取るという手法により5個以上の相について測定して得られた測定値の相加平均値として得ることができる。同様に、後述するシリサイド相の直径の値については、Cs−STEMでの高倍率(25nmスケールバー)のSiのEDX元素マッピングおよびM(例えば、Ti)のEDX元素マッピングを比較し、Siが存在しMも存在する領域をシリサイド相とみなし、MのEDX元素マッピングで強度が最大値の1/10を閾値とし、この閾値以上となる領域について二値化画像処理を行い、得られた二値化画像より、各シリサイド相の寸法を読み取るという手法により5個以上の相について測定して得られた測定値の相加平均値として得ることができる。
<A-Si phase>
Here, in the silicon-containing alloy according to the present embodiment, the a-Si phase is a phase containing amorphous or low crystalline silicon in which tin is dissolved in the crystal structure of silicon. This a-Si phase is a phase involved in occlusion / release of lithium ions during operation of the electrical device (lithium ion secondary battery) of the present embodiment, and can electrochemically react with lithium (that is, per weight and This is a phase in which a large amount of lithium can be occluded and released per volume. In addition, although tin is dissolved in the crystal structure of silicon constituting the a-Si phase, since silicon is poor in electron conductivity, a small amount of additive elements such as phosphorus and boron are included in the parent phase. Transition metals and the like may be included. Although there is no restriction | limiting in particular about the size of an a-Si phase, From a viewpoint of suppressing the expansion | swelling at the time of charge, the size of an a-Si phase is so preferable that it is small, specifically, it is preferable that it is 10 nm or less, and is 8 nm or less. More preferably. On the other hand, the lower limit of the size of the a-Si phase is not particularly limited, but is preferably 1 nm or more, more preferably 2 nm or more, still more preferably 5 nm or more, and particularly preferably 8 nm or more. As for the diameter value of the a-Si phase, high magnification (25 nm scale bar) Si EDX element mapping and M (for example, Ti) EDX element mapping in HAADF-STEM are compared, and Si exists. The region where M does not exist is regarded as the Si phase, the intensity is 1/10 of the maximum value in the EDX element mapping of M, and the binarized image processing is performed on the region where the intensity is less than this threshold. From the image, it can be obtained as an arithmetic average value of measured values obtained by measuring five or more phases by a method of reading the dimensions of each Si phase. Similarly, with regard to the value of the diameter of the silicide phase described later, high-magnification (25 nm scale bar) Si EDX element mapping and M (for example, Ti) EDX element mapping in Cs-STEM are compared, and Si exists. A region where M also exists is regarded as a silicide phase, and the intensity is 1/10 of the maximum value in the EDX element mapping of M, and binarized image processing is performed for a region where the intensity is greater than or equal to this threshold value. From the converted image, it can be obtained as an arithmetic average value of measured values obtained by measuring five or more phases by a method of reading the dimensions of each silicide phase.

このa−Si相は、後述するシリサイド相よりもアモルファス化していることが好ましい。かような構成とすることにより、負極活物質(ケイ素含有合金)をより高容量なものとすることができる。なお、a−Si相がシリサイド相よりもアモルファス化しているか否かは、高角度環状暗視野走査透過型電子顕微鏡(HAADF−STEM)を用いたa−Si相およびシリサイド相のそれぞれの観察画像を高速フーリエ変換(FFT)して得られる回折図形から判定することができる。すなわち、この回折図形に示される回折パターンは、単結晶相については二次元点配列のネットパターン(格子状のスポット)を示し、多結晶相についてはデバイシェラーリング(回折環)を示し、非晶質相についてはハローパターンを示す。これを利用することで、上記の確認が可能となる。本実施形態において、a−Si相は、非晶質または低結晶性であればよいが、より高いサイクル耐久性を実現するという観点から、a−Si相は、非晶質のものであることが好ましい。   The a-Si phase is preferably made amorphousr than a silicide phase described later. With such a configuration, the negative electrode active material (silicon-containing alloy) can have a higher capacity. Whether or not the a-Si phase is more amorphous than the silicide phase is determined based on observation images of the a-Si phase and the silicide phase using a high-angle annular dark field scanning transmission electron microscope (HAADF-STEM). It can be determined from a diffraction pattern obtained by fast Fourier transform (FFT). That is, the diffraction pattern shown in this diffraction pattern shows a two-dimensional dot array net pattern (lattice spot) for a single crystal phase, a Debye-Scherrer ring (diffraction ring) for a polycrystalline phase, and an amorphous The temperate phase shows a halo pattern. By using this, the above confirmation can be performed. In the present embodiment, the a-Si phase may be amorphous or low crystalline, but the a-Si phase is amorphous from the viewpoint of realizing higher cycle durability. Is preferred.

なお、本実施形態に係るケイ素含有合金はスズを必須に含むが、スズはケイ素との間でシリサイドを形成しない元素であることから、シリサイド相ではなくa−Si相に存在することになる。そしてスズの含有量が少ない場合には全てのスズ元素はa−Si相においてケイ素の結晶構造の内部に固溶して存在する。一方、スズの含有量が多くなると、a−Si相のケイ素中に固溶しきれなくなったスズ元素は凝集してスズ単体の結晶相として存在する。本実施形態において、このようなスズ単体の結晶相は存在しないことが好ましい。   In addition, although the silicon-containing alloy which concerns on this embodiment contains tin essential, since tin is an element which does not form a silicide between silicon, it exists in an a-Si phase instead of a silicide phase. And when there is little content of tin, all the tin elements exist in solid solution inside the crystal structure of silicon in the a-Si phase. On the other hand, when the content of tin increases, the tin element that can no longer be dissolved in the silicon of the a-Si phase aggregates and exists as a crystalline phase of simple tin. In this embodiment, it is preferable that such a crystalline phase of simple tin does not exist.

また、本実施形態においては、a−Si相についてのSi正四面体間距離の範囲も規定される。具体的に、a−Si相についてのSi正四面体間距離は0.38nm以上であることが必須である(規定(C))。ここで、a−Si相についてのSi正四面体間距離の値は、下記のTEM−MRO解析により測定するものとする(後述する実施例についても同様の測定を行った)。   Moreover, in this embodiment, the range of the distance between Si tetrahedrons about an a-Si phase is also prescribed | regulated. Specifically, it is essential that the distance between Si tetrahedrons for the a-Si phase is 0.38 nm or more (regulation (C)). Here, the value of the distance between Si tetrahedrons for the a-Si phase is measured by the following TEM-MRO analysis (the same measurement was performed for the examples described later).

(TEM−MRO解析によるa−Si相のSi正四面体間距離の測定)
本測定では、ケイ素含有合金の高角度環状暗視野走査透過型電子顕微鏡(HAADF−STEM)により得られた格子像から、フーリエ変換処理を行い、回折図形を得る。この回折図形の中で、Si正四面体間距離を1.0とした場合の、0.7〜1.0の幅に存在する回折リング部分に対して逆フーリエ変換処理を行い、得られた逆フーリエ変換画像から、周期配列に注目し、Si正四面体間距離を測定することができる。
(Measurement of distance between Si tetrahedrons of a-Si phase by TEM-MRO analysis)
In this measurement, a diffraction pattern is obtained by performing a Fourier transform process from a lattice image obtained by a high-angle annular dark field scanning transmission electron microscope (HAADF-STEM) of a silicon-containing alloy. In this diffraction pattern, when the distance between Si tetrahedrons was set to 1.0, an inverse Fourier transform process was performed on a diffraction ring portion existing in a width of 0.7 to 1.0. From the inverse Fourier transform image, it is possible to measure the distance between the Si tetrahedrons while paying attention to the periodic array.

・HAADF−STEM観察による格子像
ここで、高角度環状暗視野走査透過型電子顕微鏡(HAADF−STEM)を用いた観察は、通常、HAADF−STEMおよびコンピュータを用いて行うことができる。HAADF−STEMによる観察は、電子線を被観察試料にあて、被観察試料を透過してきた電子が作り出す格子像(干渉像)を拡大してコンピュータで観察(モニタ)する手法などが利用できる。透過型電子顕微鏡(TEM)によれば、原子レベルまで拡大された高分解能の観察像であって、高いコントラストを有するものを取得することができる。例えば図5(A)は、本実施形態のケイ素含有合金(詳しくは、実施例1で作製したもの)のHAADF−STEMにより得られた格子像を拡大した写真である。
-Lattice image by HAADF-STEM observation Here, observation using a high-angle annular dark field scanning transmission electron microscope (HAADF-STEM) can be usually performed using HAADF-STEM and a computer. For observation by HAADF-STEM, a method of observing (monitoring) with a computer by enlarging a lattice image (interference image) created by electrons transmitted through the sample to be observed by applying an electron beam to the sample to be observed can be used. According to a transmission electron microscope (TEM), it is possible to obtain a high-resolution observation image enlarged to the atomic level and having high contrast. For example, FIG. 5A is an enlarged photograph of a lattice image obtained by HAADF-STEM of the silicon-containing alloy of this embodiment (specifically, the one prepared in Example 1).

次に、HAADF−STEMにより得られた格子像から、フーリエ変換処理を行い、回折図形を得る。この際、フーリエ変換処理は、例えば、Gatan社製のソフトウェア「デジタルマイクログラフ」にて実施することができる。なお、HAADF−STEMにより得られた格子像からのフーリエ変換処理には、当業者であれば容易に再現(実施)できる汎用性のある他のソフトウェアを用いてもよい。ここで、図5(A)に示すHAADF−STEM像は、明るい部分と暗い部分とを有している。明るい部分は、原子列が存在する部分に対応し、暗い部分は、原子列と原子列との間の部分に対応している。   Next, a Fourier transform process is performed from the lattice image obtained by HAADF-STEM to obtain a diffraction pattern. At this time, the Fourier transform process can be performed by, for example, software “Digital Micrograph” manufactured by Gatan. It should be noted that other versatile software that can be easily reproduced (implemented) by those skilled in the art may be used for the Fourier transform processing from the lattice image obtained by the HAADF-STEM. Here, the HAADF-STEM image shown in FIG. 5A has a bright part and a dark part. The bright part corresponds to the part where the atomic sequence exists, and the dark part corresponds to the part between the atomic sequence.

・回折図形
次いで、図5(A)に示す格子像(HAADF−STEM像)の40nm四方の部分(破線で囲った部分)につき、フーリエ変換(FT)処理を行う。ここでは取得した格子像の破線で囲った範囲に対してフーリエ変換処理を行うことで、複数の原子面に対応した複数の回折スポットを含む回折図形(回折データ)を取得する。このフーリエ変換処理は、例えば、Gatan社製のソフトウェア「デジタルマイクログラフ」にて実施することができる。なお、このフーリエ変換処理には、当業者であれば容易に再現(実施)できる汎用性のある他のソフトウェアを用いてもよい。
Diffraction pattern Next, Fourier transform (FT) processing is performed on a 40 nm square portion (portion surrounded by a broken line) of the lattice image (HAADF-STEM image) shown in FIG. Here, a diffraction pattern (diffraction data) including a plurality of diffraction spots corresponding to a plurality of atomic planes is acquired by performing a Fourier transform process on a range surrounded by a broken line of the acquired lattice image. This Fourier transform processing can be performed by, for example, software “Digital Micrograph” manufactured by Gatan. For the Fourier transform process, other general-purpose software that can be easily reproduced (implemented) by those skilled in the art may be used.

図5(B)は、図5(A)に示す実施例1のケイ素含有合金の格子像(HAADF−STEM像)に対して高速フーリエ変換(FFT)処理を施して取得した回折図形を示す写真である。図5(B)に示す回折図形では、絶対値を示す強度としては中心部に見える最も明るいスポットを中心として、リング状(環状)に、複数の回折リング部分(回折スポット)が観察される。   FIG. 5 (B) is a photograph showing a diffraction pattern obtained by performing a fast Fourier transform (FFT) process on the lattice image (HAADF-STEM image) of the silicon-containing alloy of Example 1 shown in FIG. 5 (A). It is. In the diffraction pattern shown in FIG. 5B, a plurality of diffraction ring portions (diffraction spots) are observed in a ring shape (annular) around the brightest spot that can be seen at the center as the intensity indicating the absolute value.

図5(B)に示す回折図形の中で、Si正四面体間距離を1.0とした場合の、0.7〜1.0の幅に存在する回折リング部分を決定する。ここで、Si正四面体間距離とは、Si正四面体構造の中心Si原子と近接するSi正四面体構造の中心Si原子との距離(単に、Si−Si間距離とも略記する)に相当する。ちなみに、この距離は、Siダイヤモンド構造におけるSi(220)面の面間隔に相当する。このことから、このステップでは、複数の回折リング部分(回折スポット)のうち、Si(220)面に対応した回折リング部分を帰属し、その回折リング部分を、Si正四面体間距離を1.0とした場合の、0.7〜1.0の幅に存在する回折リング部分とする。回折リング部分(回折線)の帰属は、例えば、公知の文献(公報や学術書など)やインターネット上に公開されている各種のケイ素の電子回折線に関する文献を用いることができる。例えば、インターネット上に公開されている名古屋大学工学研究科・工学部「技報」,Vol.9,2007年3月,I.技術部技術研修会 8.透過電子顕微鏡による電子回折図形観察に関わる技術修得,齋藤徳之、荒井重勇,工学研究科・工学部技術部 物質・分析技術系(http://etech.engg.nagoya−u.ac.jp/gihou/v9/047.pdf)等のケイ素の電子回折線に関する文献を参考にして行うことができる。   In the diffraction pattern shown in FIG. 5 (B), a diffraction ring portion having a width of 0.7 to 1.0 when the distance between Si regular tetrahedrons is 1.0 is determined. Here, the Si tetrahedral distance is equivalent to the distance between the central Si atom of the Si tetrahedral structure and the central Si atom of the adjacent Si regular tetrahedral structure (simply abbreviated as Si-Si distance). To do. Incidentally, this distance corresponds to the surface interval of the Si (220) plane in the Si diamond structure. Therefore, in this step, among the plurality of diffraction ring portions (diffraction spots), the diffraction ring portion corresponding to the Si (220) plane is assigned, and the diffraction ring portion is assigned a distance between Si tetrahedrons of 1. A diffraction ring portion having a width of 0.7 to 1.0 when 0 is set. For the attribution of the diffraction ring portion (diffraction line), for example, a known document (gazette, academic book, etc.) or a document related to various silicon electron diffraction lines published on the Internet can be used. For example, “Technical Report”, Vol. 9, March 2007, I.I. Engineering Department Technical Workshop 8. Acquisition of technology related to electron diffraction pattern observation by transmission electron microscope, Noriyuki Saito, Shigeyasu Arai, Graduate School of Engineering, Faculty of Engineering, Materials / Analysis Technology (http://eng.engg.nagaya-u.ac.jp/gihou) /V9/047.pdf) etc., and can be carried out with reference to literature relating to electron diffraction lines of silicon.

・逆フーリエ変換画像
次いで、回折図形の上記Si正四面体間距離を1.0とした場合の、0.7〜1.0の幅に存在する回折リング部分、すなわち、Si(220)面に対応した回折リング部分につき、逆フーリエ変換処理を行う。このSi(220)面に対応した回折リング部分(のデータが抽出された抽出図形・抽出データ)につき逆フーリエ変換処理を行うことで、逆フーリエ変換画像を取得する。逆フーリエ変換処理は、例えば、Gatan社製のソフトウェア「デジタルマイクログラフ」にて実施することができる。なお、この逆フーリエ変換処理には、当業者であれば容易に再現(実施)できる汎用性のある他のソフトウェアを用いてもよい。
Inverse Fourier transform image Next, the diffraction ring portion existing in a width of 0.7 to 1.0, that is, the Si (220) plane when the distance between the above-mentioned Si tetrahedrons of the diffraction pattern is 1.0. Inverse Fourier transform processing is performed for the corresponding diffraction ring portion. An inverse Fourier transform image is acquired by performing an inverse Fourier transform process on the diffraction ring portion corresponding to the Si (220) plane (extracted figure / extracted data from which data is extracted). The inverse Fourier transform process can be performed by, for example, software “Digital Micrograph” manufactured by Gatan. For the inverse Fourier transform process, other general-purpose software that can be easily reproduced (implemented) by those skilled in the art may be used.

図5(C)は、図5(B)のSi(220)面に対応した回折リング部分のデータが抽出された抽出図形に対して逆高速フーリエ変換処理を行い、得られた逆フーリエ変換画像を示す写真である。図5(C)に示すように、得られた逆フーリエ変換画像では、複数の明るい部分(明部)と、複数の暗い部分(暗部)とからなる明暗模様が観察される。明部および暗部の大部分は、周期配列することなく、不規則に配置されている非晶質領域(Siアモルファス領域)である。ただし、図5(C)に示すように、明部が周期的に配列された領域(図5(C)中、破線で囲った楕円内に存在する周期配列部分)が散点(散在)している。すなわち、図5(C)に示す逆フーリエ変換画像のうち、破線で囲った楕円内に存在する周期配列部分以外の非晶質領域では、明部と暗部とは、途中で曲がるなどして直線状に延伸しておらず、規則的にも並んでいない。また、明部と暗部との間で明るさのコントラストが弱くなっている部分もある。このような破線で囲った楕円内に存在する周期配列部分以外の非晶質領域における明部と暗部とからなる明暗模様の構造は、被観察試料が、当該非晶質領域において、アモルファスないし微結晶構造を有することを示している。   FIG. 5C shows an inverse Fourier transform image obtained by performing inverse fast Fourier transform processing on the extracted figure from which data of the diffraction ring portion corresponding to the Si (220) plane of FIG. 5B is extracted. It is a photograph which shows. As shown in FIG. 5C, in the obtained inverse Fourier transform image, a light / dark pattern composed of a plurality of bright portions (bright portions) and a plurality of dark portions (dark portions) is observed. Most of the bright and dark portions are amorphous regions (Si amorphous regions) that are irregularly arranged without periodic arrangement. However, as shown in FIG. 5C, regions where the bright portions are periodically arranged (periodic arrangement portions existing in the ellipses surrounded by broken lines in FIG. 5C) are scattered. ing. That is, in the inverse Fourier transform image shown in FIG. 5C, in the amorphous region other than the periodic array portion existing in the ellipse surrounded by the broken line, the bright portion and the dark portion are straight and bent in the middle. They are not stretched into a shape and are not regularly arranged. In addition, there is a portion where the brightness contrast is weak between the bright portion and the dark portion. The bright and dark pattern structure consisting of bright and dark portions in the amorphous region other than the periodic array portion present in the ellipse surrounded by the broken line is that the sample to be observed is amorphous or fine in the amorphous region. It shows that it has a crystal structure.

そして、上述した図5(C)に示すような逆フーリエ変換画像の破線で囲った楕円内に存在する周期配列部分を含まない領域(非晶質領域)内で、例えば、任意の20nm四方(20×20nmの視野)の領域を確保(選定)し、この視野領域内の明部(ドット=Si正四面体ユニットに相当)の数を測定する。次に、当該視野の一辺の長さである20nmを明部の数の平方根で除した値をSi正四面体間距離とする。例えば、任意の20nm四方の視野領域内の明部(ドット=Si正四面体ユニットに相当)の数が100個であれば、20nm÷√(100)=20nm/10=2nmがSi正四面体間距離となる。   Then, in a region (amorphous region) that does not include a periodic array portion existing in an ellipse surrounded by a broken line of the inverse Fourier transform image as shown in FIG. An area of 20 × 20 nm field of view is secured (selected), and the number of bright parts (corresponding to dots = Si regular tetrahedron units) in this field of view is measured. Next, a value obtained by dividing 20 nm, which is the length of one side of the visual field, by the square root of the number of bright portions is defined as a distance between Si regular tetrahedra. For example, if the number of bright portions (corresponding to dots = Si regular tetrahedron unit) in an arbitrary 20 nm square field region is 100, 20 nm ÷ √ (100) = 20 nm / 10 = 2 nm is Si regular tetrahedron. It becomes a distance.

本実施形態によれば、Si正四面体間距離の値が0.38nm以上とされていることで、非晶質領域のアモルファス化を進めることができる。その結果、充放電時には広げられたSi−Si間にLiイオンが容易に挿入・脱離することができ、本形態の負極活物質を用いた負極および電気デバイスのサイクル耐久性を大幅に向上することができるものである。なお、本発明の好ましい実施形態において、上記非晶質領域におけるSi正四面体間距離は、好ましくは0.40nm以上であり、より好ましくは0.44nm以上であり、さらに好ましくは0.47nm以上であり、いっそう好ましくは0.47nm以上であり、特に好ましくは0.475nm以上である。なお、上記非晶質領域におけるSi正四面体間距離の上限値は、特に制限されるものではないが、理論的観点から0.55nm以下といえる。   According to this embodiment, since the value of the distance between Si tetrahedrons is set to 0.38 nm or more, the amorphous region can be made amorphous. As a result, Li ions can be easily inserted and desorbed between the expanded Si-Si during charge and discharge, and the cycle durability of the negative electrode and the electric device using the negative electrode active material of this embodiment is greatly improved. It is something that can be done. In a preferred embodiment of the present invention, the Si tetrahedral distance in the amorphous region is preferably 0.40 nm or more, more preferably 0.44 nm or more, and further preferably 0.47 nm or more. More preferably, it is 0.47 nm or more, and particularly preferably 0.475 nm or more. The upper limit value of the distance between the Si tetrahedrons in the amorphous region is not particularly limited, but can be said to be 0.55 nm or less from a theoretical point of view.

〈シリサイド相〉
一方、上述した海島構造の海(連続相)を構成するシリサイド相は、遷移金属のケイ化物(シリサイド)を主成分とする結晶相である。このシリサイド相は、遷移金属のケイ化物(例えばTiSi)を含むことでa−Si相との親和性に優れ、特に充電時の体積膨張における結晶界面での割れを抑制することができる。さらに、シリサイド相はa−Si相と比較して電子伝導性および硬度の観点で優れている。このように、シリサイド相はa−Si相の低い電子伝導性を改善し、かつ膨張時の応力に対して活物質の形状を維持する役割をも担っている。本実施形態においては、このような特性を有するシリサイド相が海島構造の海(連続相)を構成することで、負極活物質(ケイ素含有合金)の電子伝導性をよりいっそう向上させることができ、しかもa−Si相の膨張時の応力を緩和して活物質の割れを防止することができ、サイクル耐久性の向上に寄与しているものと考えられる。
<Silicide phase>
On the other hand, the silicide phase constituting the sea (continuous phase) having the above-described sea-island structure is a crystal phase mainly composed of transition metal silicide (silicide). Since this silicide phase contains a transition metal silicide (eg, TiSi 2 ), the silicide phase is excellent in affinity with the a-Si phase, and particularly, cracks at the crystal interface due to volume expansion during charging can be suppressed. Furthermore, the silicide phase is superior in terms of electron conductivity and hardness compared to the a-Si phase. Thus, the silicide phase also plays a role of improving the low electron conductivity of the a-Si phase and maintaining the shape of the active material against the stress during expansion. In this embodiment, the silicide phase having such characteristics constitutes the sea (continuous phase) of the sea-island structure, so that the electron conductivity of the negative electrode active material (silicon-containing alloy) can be further improved. Moreover, the stress during expansion of the a-Si phase can be relaxed to prevent cracking of the active material, which is considered to contribute to the improvement of cycle durability.

シリサイド相には複数の相が存在していてもよく、例えば遷移金属元素MとSiとの組成比が異なる2相以上(例えば、MSiおよびMSi)が存在していてもよい。また、異なる遷移金属元素とのケイ化物を含むことにより、2相以上が存在していてもよい。ここで、シリサイド相に含まれる遷移金属(M)の種類について特に制限はないが、好ましくはTi、Zr、Ni、Cu、およびFeからなる群より選ばれる少なくとも1種であり、より好ましくはTiまたはZrであり、特に好ましくはTiである。これらの元素は、ケイ化物を形成した際に他の元素のケイ化物よりも高い電子伝導度を示し、かつ高い強度を有するものである。特に遷移金属元素がTiである場合のシリサイドの1種であるTiSiは、非常に優れた電子伝導性を示すため、好ましい。シリサイドのこのような特性と、上述した非晶質Siの優れた特定に鑑みると、遷移金属のケイ化物はTiSiであり、かつ、a−Si相は非晶質であることが好ましい。 A plurality of phases may exist in the silicide phase. For example, two or more phases (for example, MSi 2 and MSi) having different composition ratios between the transition metal element M and Si may exist. Moreover, two or more phases may exist by including a silicide with different transition metal elements. Here, the type of transition metal (M) contained in the silicide phase is not particularly limited, but is preferably at least one selected from the group consisting of Ti, Zr, Ni, Cu, and Fe, and more preferably Ti. Or Zr, particularly preferably Ti. These elements have a higher electron conductivity and higher strength than silicides of other elements when silicides are formed. In particular, TiSi 2 , which is a kind of silicide when the transition metal element is Ti, is preferable because it exhibits very excellent electronic conductivity. In view of these characteristics of silicide and the excellent identification of amorphous Si described above, the transition metal silicide is preferably TiSi 2 and the a-Si phase is preferably amorphous.

特に、遷移金属元素MがSiであり、シリサイド相に組成比が異なる2相以上(例えば、TiSiおよびTiSi)が存在する場合は、シリサイド相の50質量%以上、好ましくは80質量%以上、さらに好ましくは90質量%以上、特に好ましくは95質量%以上、最も好ましくは100質量%がTiSi相である。 In particular, when the transition metal element M is Si and there are two or more phases having different composition ratios in the silicide phase (for example, TiSi 2 and TiSi), the silicide phase is 50 mass% or more, preferably 80 mass% or more, More preferably, 90% by mass or more, particularly preferably 95% by mass or more, and most preferably 100% by mass is the TiSi 2 phase.

上記シリサイド相のサイズについて特に制限はないが、好ましい実施形態において、シリサイド相のサイズは50nm以下であり、より好ましくは30nm以下であり、さらに好ましくは25nm以下である。かような構成とすることにより、負極活物質(ケイ素含有合金)をより高容量なものとすることができる。一方、シリサイド相のサイズの下限値についても特に制限はないが、Li挿入脱離に伴うa−Si相の膨張・収縮を抑え込むという観点から、シリサイド相の直径は上述したa−Si相の直径よりも大きいことが好ましく、その絶対値としては、好ましくは10nm以上であり、より好ましくは15nm以上である。   The size of the silicide phase is not particularly limited, but in a preferred embodiment, the size of the silicide phase is 50 nm or less, more preferably 30 nm or less, and even more preferably 25 nm or less. With such a configuration, the negative electrode active material (silicon-containing alloy) can have a higher capacity. On the other hand, the lower limit value of the size of the silicide phase is not particularly limited, but from the viewpoint of suppressing expansion / contraction of the a-Si phase accompanying Li insertion / extraction, the diameter of the silicide phase is the diameter of the a-Si phase described above. The absolute value is preferably 10 nm or more, and more preferably 15 nm or more.

なお、チタンのダイシリサイド(TiSi)には、C49構造およびC54構造という2種類の結晶構造が存在する。C49構造は抵抗率が60μΩ・cm程度と高抵抗率を示す相(準安定相)であり、底心−斜方晶系の構造である。一方、C54構造は抵抗率が15〜20μΩ・cm程度と低抵抗率の相(安定相)であり、面心−斜方晶系の構造である。ここで、後述の実施例の欄において図7A〜図7Fを参照して説明するように、本実施形態に係るケイ素含有合金(負極活物質)のシリサイド相に含まれるダイシリサイド(TiSi)の結晶構造はC54構造であることが確認された。C54構造を有するダイシリサイド(TiSi)は、C49構造を有するものと比較して低抵抗率かつ高硬度である。よって、本形態に係る負極活物質は高い電子伝導性を示し、しかも充放電時の活物質におけるa−Si相の膨張収縮によって生じる応力を緩和する効果に優れるものと考えられ、このことも高いサイクル耐久性の実現に寄与しているものと思われた。以上のことから、本発明の好ましい実施形態では、シリサイド相に含まれる遷移金属のケイ化物がチタンのダイシリサイド(TiSi)であるときに、当該TiSiがC54構造を有するものを主成分(質量比で50質量%以上)とするものである。ここで、「主成分」とは、シリサイド相100質量%に占めるC54構造を有するTiSiの質量比が50質量%超であることを意味し、好ましくは80質量%以上であり、より好ましくは90質量%以上であり、特に好ましくは95質量%以上であり、最も好ましくは100質量%である。 Titanium disilicide (TiSi 2 ) has two types of crystal structures, a C49 structure and a C54 structure. The C49 structure is a phase (metastable phase) exhibiting a high resistivity of about 60 μΩ · cm, and is a bottom-centered orthorhombic structure. On the other hand, the C54 structure is a phase having a low resistivity of about 15 to 20 μΩ · cm (stable phase) and is a face-centered orthorhombic structure. Here, as will be described with reference to FIG. 7A to FIG. 7F in the column of the example described later, disilicide (TiSi 2 ) contained in the silicide phase of the silicon-containing alloy (negative electrode active material) according to the present embodiment. The crystal structure was confirmed to be C54 structure. Disilicide (TiSi 2 ) having a C54 structure has a low resistivity and a high hardness compared to those having a C49 structure. Therefore, it is considered that the negative electrode active material according to the present embodiment exhibits high electronic conductivity and is excellent in the effect of relieving the stress caused by the expansion and contraction of the a-Si phase in the active material during charge / discharge. It seemed that it contributed to the realization of cycle durability. From the above, in a preferred embodiment of the present invention, when the transition metal silicide contained in the silicide phase is titanium disilicide (TiSi 2 ), the main component (TiSi 2 has a C54 structure) (50 mass% or more by mass ratio). Here, “main component” means that the mass ratio of TiSi 2 having a C54 structure in 100 mass% of the silicide phase is more than 50 mass%, preferably 80 mass% or more, more preferably It is 90% by mass or more, particularly preferably 95% by mass or more, and most preferably 100% by mass.

〈ケイ素含有合金の結晶構造分析〉
本実施形態における負極活物質を構成するケイ素含有合金は、CuKα1線を用いたX線回折測定において、2θ=24〜33°の範囲におけるSiの(111)面の回折ピーク強度Aに対する、2θ=37〜45°の範囲における遷移金属のケイ化物の(311)面の回折ピーク強度Bの比の値(B/A)が1.34以上である点にも特徴がある(規定(D))。この比の値(B/A)は、好ましくは1.50以上であり、より好ましくは2.00以上であり、さらに好ましくは2.05以上である。なお、本願において、上記回折ピークの強度比を算出するためのX線回折測定は、後述する実施例の欄に記載の手法を用いて行うものとする。
<Crystal structure analysis of silicon-containing alloys>
In the X-ray diffraction measurement using CuKα1 ray, the silicon-containing alloy that constitutes the negative electrode active material in the present embodiment is 2θ = for the diffraction peak intensity A of the (111) plane of Si in the range of 2θ = 24 to 33 °. It is also characterized in that the value (B / A) of the diffraction peak intensity B on the (311) plane of the transition metal silicide in the range of 37 to 45 ° is 1.34 or more (regulation (D)). . The value (B / A) of this ratio is preferably 1.50 or more, more preferably 2.00 or more, and further preferably 2.05 or more. In the present application, the X-ray diffraction measurement for calculating the intensity ratio of the diffraction peaks is performed using the method described in the column of Examples described later.

ここで、2θ=24〜33°の範囲におけるSiの(111)面の回折ピーク強度Aは、以下のようにして求めることができる。   Here, the diffraction peak intensity A of the (111) plane of Si in the range of 2θ = 24 to 33 ° can be obtained as follows.

まず、X線回折分析により得られた回折スペクトルにおいて、2θ=24°における垂線と回折スペクトルとが交わる点をaとする。同様に、2θ=33°における垂線とX線回折スペクトルとが交わる点をbとする。ここで、線分abをベースラインとし、Siの(111)面の回折ピーク(2θ=約28.5°)における垂線と当該ベースラインとが交わる点をcとする。そして、Siの(111)面の回折ピーク(2θ=約28.5°)の頂点dと点cとを結ぶ線分cdの長さとして、Siの(111)面の回折ピーク強度Aを求めることができる。   First, in the diffraction spectrum obtained by the X-ray diffraction analysis, a point where the perpendicular and the diffraction spectrum at 2θ = 24 ° intersect is defined as a. Similarly, let b be the point where the perpendicular at 2θ = 33 ° and the X-ray diffraction spectrum intersect. Here, a line segment ab is defined as a base line, and a point at which a perpendicular line at the diffraction peak (2θ = about 28.5 °) of the Si (111) plane intersects the base line is defined as c. Then, the diffraction peak intensity A of the Si (111) plane is obtained as the length of the line segment cd connecting the vertex d and the point c of the diffraction peak (2θ = about 28.5 °) of the Si (111) plane. be able to.

同様に、2θ=37〜45°の範囲における遷移金属のケイ化物の回折ピーク強度Bは、以下のようにして求めることができる。以下では、遷移金属のケイ化物がTiSiである場合を例に挙げて説明する。 Similarly, the diffraction peak intensity B of the transition metal silicide in the range of 2θ = 37 to 45 ° can be obtained as follows. Hereinafter, the case where the silicide of the transition metal is TiSi 2 will be described as an example.

まず、X線回折分析により得られた回折スペクトルにおいて、2θ=37°における垂線と回折スペクトルとが交わる点をeとする。同様に、2θ=45°における垂線とX線回折スペクトルとが交わる点をfとする。ここで、線分efをベースラインとし、TiSiの回折ピーク(2θ=約39°)における垂線と当該ベースラインとが交わる点をgとする。そして、TiSiの回折ピーク(2θ=約39°)の頂点hと点gとを結ぶ線分ghの長さとして、TiSiの回折ピーク強度Bを求めることができる。 First, in the diffraction spectrum obtained by X-ray diffraction analysis, let e be the point where the perpendicular and diffraction spectrum at 2θ = 37 ° intersect. Similarly, let f be the point where the perpendicular at 2θ = 45 ° and the X-ray diffraction spectrum intersect. Here, the line segment ef is the base line, and g is the point where the perpendicular line at the TiSi 2 diffraction peak (2θ = about 39 °) and the base line intersect. Then, the diffraction peak intensity B of TiSi 2 can be obtained as the length of the line segment gh connecting the vertex h of the diffraction peak of TiSi 2 (2θ = about 39 °) and the point g.

好ましい実施形態では、ラマン分光法に基づく別のピーク面積比もさらに規定される。すなわち、ラマンスペクトルにおける475cm−1にピークを有する結晶シリコンのピーク面積S(Cry−Si)と、420cm−1にピークを有するアモルファスシリコンのピーク面積S(Amo−Si)と、のピーク面積比S(Amo−Si)/S(Cry−Si)は、1.00以上であることが好ましい(規定(E))。この値は、好ましくは1.05以上であり、より好ましくは1.10以上である。上記ピーク面積比の値(S(Amo−Si)/S(Cry−Si))がかような範囲内の値であると、サイクル耐久性がよりいっそう向上しうるという利点がある。なお、上記ピーク面積比の値(S(Amo−Si)/S(Cry−Si))は、後述する実施例の欄に記載の手法により算出することができる。 In a preferred embodiment, another peak area ratio based on Raman spectroscopy is further defined. That is, the peak area S of the crystalline silicon with a peak at 475cm -1 in the Raman spectrum (Cry-Si), and the peak area of amorphous silicon having a peak at 420cm -1 S (Amo-Si) , the peak area ratio S (Amo-Si) / S (Cry-Si) is preferably 1.00 or more (regulation (E)). This value is preferably 1.05 or more, and more preferably 1.10 or more. When the value of the peak area ratio (S (Amo-Si) / S (Cry-Si)) is within such a range, there is an advantage that the cycle durability can be further improved. The value of the peak area ratio (S (Amo-Si) / S (Cry-Si)) can be calculated by the method described in the column of Examples described later.

他の好ましい実施形態では、X線回折測定に基づく別のピーク強度比もさらに規定される。すなわち、負極活物質を構成するケイ素含有合金についてのCuKα1線を用いたX線回折測定において、2θ=24〜33°の範囲におけるSiの(111)面の回折ピーク強度Aに対する、2θ=26〜35°の範囲におけるSnの(001)面の回折ピーク強度Cの比の値(C/A)は、好ましくは1.085以下である。この値は、より好ましくは1.070以下であり、さらに好ましくは1.060以下である。上記比の値(C/A)がかような範囲内の値であると、サイクル耐久性がよりいっそう向上しうるという利点がある。なお、上記比の値(C/A)の算出に用いられる2θ=26〜35°の範囲におけるSnの(001)面の回折ピーク強度Cもまた、上述したのと同様の手法により測定することができる。すなわち、X線回折分析により得られた回折スペクトルにおいて、2θ=26°における垂線と回折スペクトルとが交わる点をiとする。同様に、2θ=35°における垂線とX線回折スペクトルとが交わる点をjとする。ここで、線分ijをベースラインとし、Snの(001)面の回折ピーク(2θ=約30.6°)における垂線と当該ベースラインとが交わる点をkとする。そして、Snの(001)面の回折ピーク(2θ=約30.6°)の頂点lと点kとを結ぶ線分klの長さとして、Snの(001)面の回折ピーク強度Cを求めることができる。   In other preferred embodiments, another peak intensity ratio based on X-ray diffraction measurements is further defined. That is, in the X-ray diffraction measurement using the CuKα1 line for the silicon-containing alloy constituting the negative electrode active material, 2θ = 26 to the diffraction peak intensity A on the (111) plane of Si in the range of 2θ = 24 to 33 °. The value (C / A) of the diffraction peak intensity C of the Sn (001) plane in the range of 35 ° is preferably 1.085 or less. This value is more preferably 1.070 or less, and still more preferably 1.060 or less. When the value of the ratio (C / A) is within such a range, there is an advantage that cycle durability can be further improved. The diffraction peak intensity C on the (001) plane of Sn in the range of 2θ = 26 to 35 ° used for calculating the ratio value (C / A) should also be measured by the same method as described above. Can do. That is, in the diffraction spectrum obtained by X-ray diffraction analysis, let i be the point where the perpendicular and the diffraction spectrum at 2θ = 26 ° intersect. Similarly, let j be the point where the perpendicular at 2θ = 35 ° and the X-ray diffraction spectrum intersect. Here, a line segment ij is a base line, and a point at which a perpendicular line at the diffraction peak (2θ = about 30.6 °) of the Sn (001) plane intersects the base line is k. Then, the diffraction peak intensity C of the (001) plane of Sn is obtained as the length of the line segment kl connecting the vertex l of the diffraction peak (2θ = about 30.6 °) of the Sn (001) plane and the point k. be able to.

なお、上述した規定(A)については、ケイ素含有合金を製造する際に用いる原料の組成を調節することで当該規定(A)を満たすように制御することができる。また、規定(B)〜(F)を満たすようにするための制御手段について特に制限はないが、例えば、後述する本発明の他の形態に係る製造方法を採用したり、遷移金属(例えば、Ti)の配合量が一定の場合にはSnの配合量を相対的に少なめに設定したりすることによっても、当該規定(B)〜(F)を満たすように制御することが可能である。   In addition, about the prescription | regulation (A) mentioned above, it can control to satisfy | fill the said prescription | regulation (A) by adjusting the composition of the raw material used when manufacturing a silicon containing alloy. Moreover, although there is no restriction | limiting in particular about the control means for satisfy | filling prescription | regulation (B)-(F), For example, the manufacturing method which concerns on the other form of this invention mentioned later is employ | adopted, or a transition metal (for example, When the blending amount of Ti) is constant, the regulation (B) to (F) can be controlled by setting the Sn blending amount relatively small.

本実施形態における負極活物質を構成するケイ素含有合金の粒子径は特に制限されないが、平均粒子径として、好ましくは0.1〜20μmであり、より好ましくは0.2〜10μmである。   Although the particle diameter of the silicon-containing alloy constituting the negative electrode active material in the present embodiment is not particularly limited, the average particle diameter is preferably 0.1 to 20 μm, more preferably 0.2 to 10 μm.

(負極活物質の製造方法)
本実施形態に係る電気デバイス用負極活物質の製造方法について特に制限はなく、従来公知の知見が適宜参照されうるが、本願では、a−Si相がシリサイド相中に分散されてなる構造を有し、かつ、Si正四面体間距離およびシリサイド/Siピーク強度比(B/A)が所定の範囲内の値であるケイ素含有合金からなる負極活物質の製造方法の一例として、高エネルギータイプのメカニカルアロイング処理を利用する製造方法が提供される。すなわち、本発明の他の形態によれば、上記化学式(I)で表される組成を有するケイ素含有合金からなる電気デバイス用負極活物質の製造方法であって、前記ケイ素含有合金と同一の組成を有する母合金の粉末に対して、20[G]以上の遠心力が加わるようなボールミル装置を用いてメカニカルアロイング処理を施すことにより、前記ケイ素含有合金からなる電気デバイス用負極活物質を得る、電気デバイス用負極活物質の製造方法もまた、提供される。このように、比較的大きい遠心力が加わるようなボールミル装置を用いてメカニカルアロイング処理を実施して負極活物質(ケイ素含有合金)を製造することで、上述した微細組織構造を有する合金を製造することが可能となる。また、得られる合金におけるSi正四面体間距離をより大きくすることができ、かつ、シリサイド/Siピーク強度比の値も上記所定の範囲内の値に制御することが可能となるなど、負極活物質のサイクル耐久性の向上に有効に寄与し得る製造方法が提供されるのである。以下、本形態に係る製造方法についてより詳細に説明する。
(Method for producing negative electrode active material)
There is no particular limitation on the method for producing the negative electrode active material for an electrical device according to the present embodiment, and conventionally known knowledge can be referred to as appropriate. However, the present application has a structure in which the a-Si phase is dispersed in the silicide phase. In addition, as an example of a method for producing a negative electrode active material made of a silicon-containing alloy whose Si tetrahedral distance and silicide / Si peak intensity ratio (B / A) are values within a predetermined range, A manufacturing method utilizing mechanical alloying is provided. That is, according to another embodiment of the present invention, there is provided a method for producing a negative electrode active material for an electrical device comprising a silicon-containing alloy having the composition represented by the chemical formula (I), wherein the composition is the same as that of the silicon-containing alloy. The negative electrode active material for an electrical device made of the silicon-containing alloy is obtained by subjecting the mother alloy powder having a mechanical alloying treatment to a powder that has a centrifugal force of 20 [G] or more. A method for producing a negative electrode active material for an electrical device is also provided. In this way, a negative alloy active material (silicon-containing alloy) is manufactured by performing a mechanical alloying process using a ball mill apparatus to which a relatively large centrifugal force is applied, thereby manufacturing an alloy having the above-described microstructure. It becomes possible to do. In addition, the distance between Si tetrahedrons in the obtained alloy can be further increased, and the value of the silicide / Si peak intensity ratio can be controlled to a value within the predetermined range. A production method that can effectively contribute to the improvement of the cycle durability of the substance is provided. Hereinafter, the manufacturing method according to the present embodiment will be described in more detail.

まず、母合金を得るために、原料として、ケイ素(Si)、スズ(Sn)、遷移金属(例えば、チタン(Ti))のそれぞれについて、高純度の原料の粉末を準備する。   First, in order to obtain a master alloy, high-purity raw material powders are prepared for each of silicon (Si), tin (Sn), and a transition metal (for example, titanium (Ti)) as raw materials.

続いて、上記で準備した原料粉末を用いて、メカニカルアロイング処理を行う。   Subsequently, a mechanical alloying process is performed using the raw material powder prepared above.

メカニカルアロイング処理により合金化処理を行うことで、相の状態の制御を容易に行うことができるため、メカニカルアロイング処理は、ボールミル装置を用いて、粉砕ポットに粉砕ボールおよび合金の原料粉末を投入してエネルギーを付与することで、合金化を図ることができる。すなわち、エネルギーの付与により熱が生じ、原料粉末が合金化してa−Si相のアモルファス化および当該相へのスズの固溶、並びにシリサイド相の形成が進行する。   Since the alloying process is performed by mechanical alloying, the phase state can be easily controlled. Therefore, the mechanical alloying process uses a ball mill device to pulverize balls and alloy raw material powder into a pulverizing pot. Alloying can be achieved by applying energy by applying. That is, heat is generated by applying energy, and the raw material powder is alloyed to amorphize the a-Si phase, solid solution of tin in the phase, and formation of a silicide phase.

本形態に係る製造方法では、メカニカルアロイング処理に用いられるボールミル装置によって内容物に加えられる遠心力が20[G]以上である点に特徴がある。このように比較的大きい遠心力が加わるようなボールミル装置を用いてメカニカルアロイング処理を施すことで、より短い時間の処理でも同等以上のサイクル耐久性を発揮しうるケイ素含有合金(負極活物質)を製造することが可能となる。また、比較的高価な原料であるSnの使用量を低減させることも可能となることから、ケイ素含有合金(負極活物質)の製造コストを低減させることも可能となる。なお、上記遠心力の値は、好ましくは50[G]以上であり、より好ましくは100[G]以上であり、さらに好ましくは120[G]以上であり、特に好ましくは150[G]以上であり、最も好ましくは175[G]以上である。一方、遠心力の上限値について特に制限はないが、通常は200[G]程度が現実的である。   The manufacturing method according to this embodiment is characterized in that the centrifugal force applied to the contents by the ball mill device used for the mechanical alloying process is 20 [G] or more. Silicon-containing alloy (negative electrode active material) that can exhibit equivalent or higher cycle durability even in shorter time processing by performing mechanical alloying using a ball mill device that applies a relatively large centrifugal force. Can be manufactured. In addition, since the amount of Sn, which is a relatively expensive raw material, can be reduced, the manufacturing cost of the silicon-containing alloy (negative electrode active material) can also be reduced. The value of the centrifugal force is preferably 50 [G] or more, more preferably 100 [G] or more, still more preferably 120 [G] or more, and particularly preferably 150 [G] or more. Yes, most preferably 175 [G] or more. On the other hand, the upper limit value of the centrifugal force is not particularly limited, but normally about 200 [G] is realistic.

ここで、ボールミル装置において内容物に加わる遠心力の値は、下記の数式によって算出される:   Here, the value of the centrifugal force applied to the contents in the ball mill device is calculated by the following mathematical formula:

上記数式において、Gnlは遠心力[G]、rsは公転半径[m]、rplは自転半径[m]、iwは自転公転比[−]、rpmは回転数[回/分]である。したがって、公転半径rsを大きくするほど、自転半径rplを小さくするほど、また、回転数を大きくするほど、遠心力Gnlの値は大きくなることがわかる。   In the above formula, Gnl is the centrifugal force [G], rs is the revolution radius [m], rpl is the rotation radius [m], iw is the rotation / revolution ratio [−], and rpm is the rotation speed [times / minute]. Therefore, it can be seen that the centrifugal force Gnl increases as the revolution radius rs increases, the rotation radius rpl decreases, and the rotation speed increases.

ボールミル装置の具体的な構成について特に制限はなく、上述した遠心力の規定を満たす限り、遊星ボールミル装置、撹拌ボールミル装置など従来公知のボールミル装置が用いられうる。ただし、本形態に係る製造方法において、好ましくは撹拌ボールミル装置が用いられる。この撹拌ボールミル装置は、円筒状の内面を有する容器と、この容器内に設けられた撹拌翼とを備えている。この撹拌ボールミル装置の容器内には、原料粉末、ボール、溶媒および処理剤が仕込まれるようになっている。遊星ボールミル装置と異なり、容器が回転することなく、容器内に設けられた撹拌翼が回転して原料粉末を合金化するようになっている。このような撹拌ボールミル装置を使用すると、撹拌翼によって容器の内容物を勢いよく撹拌することができることから、他のボールミル装置よりも大きい遠心力を容器の内容物に加えることができる。   The specific configuration of the ball mill apparatus is not particularly limited, and conventionally known ball mill apparatuses such as a planetary ball mill apparatus and a stirring ball mill apparatus can be used as long as the above-described centrifugal force is satisfied. However, in the manufacturing method according to this embodiment, a stirring ball mill device is preferably used. The stirring ball mill device includes a container having a cylindrical inner surface and a stirring blade provided in the container. In the container of this stirring ball mill apparatus, raw material powder, balls, a solvent and a processing agent are charged. Unlike the planetary ball mill apparatus, the stirring blade provided in the container rotates to alloy the raw material powder without rotating the container. When such a stirring ball mill apparatus is used, the contents of the container can be vigorously stirred by the stirring blades, so that a centrifugal force larger than that of other ball mill apparatuses can be applied to the contents of the container.

このように、メカニカルアロイング処理(合金化処理)で用いる装置の遠心力の値を大きくすることにより、当該非晶質領域におけるSi正四面体間距離を大きくすることができる。また、シリサイド/Siピーク強度比(B/A)の値を上記所定の範囲内とすることができる。   Thus, by increasing the value of the centrifugal force of the apparatus used in the mechanical alloying process (alloying process), the distance between the Si tetrahedrons in the amorphous region can be increased. Further, the value of the silicide / Si peak intensity ratio (B / A) can be within the predetermined range.

なお、一般に、メカニカルアロイング処理を実施する時間を長くするほど、好適な微細組織構造を有するケイ素含有合金を得ることができるが、本形態に係る製造方法では、上述したように比較的大きな遠心力が内容物に加わるようにメカニカルアロイング処理を施すことから、メカニカルアロイング処理の時間を短縮させても同等以上のサイクル耐久性を実現することが可能となる。かような観点から、本形態に係る製造方法において、メカニカルアロイング処理の時間は、好ましくは45時間以下であり、より好ましくは40時間以下であり、さらに好ましくは36時間以下であり、いっそう好ましくは30時間以下であり、特に好ましくは24時間以下であり、最も好ましくは20時間以下である。なお、メカニカルアロイング処理の時間の下限値は特に設定されないが、通常は12時間以上であればよい。   In general, as the time for performing the mechanical alloying process is increased, a silicon-containing alloy having a suitable microstructure can be obtained. However, in the manufacturing method according to this embodiment, a relatively large centrifugal force is used as described above. Since the mechanical alloying process is performed so that force is applied to the contents, even if the mechanical alloying process time is shortened, it is possible to achieve the same or higher cycle durability. From such a viewpoint, in the manufacturing method according to this embodiment, the mechanical alloying treatment time is preferably 45 hours or less, more preferably 40 hours or less, still more preferably 36 hours or less, and even more preferably. Is 30 hours or less, particularly preferably 24 hours or less, and most preferably 20 hours or less. In addition, although the lower limit of the time of a mechanical alloying process is not set in particular, it may usually be 12 hours or more.

なお、ボールミル装置を用いたメカニカルアロイング処理においては、従来周知のボールを使用して原料粉末の合金化を行うことができるが、好ましくは、ボールとして、1mm以下、特に0.1〜1mmの直径を有するチタンまたはジルコニア製のものが使用される。特に、本形態においては、プラズマ回転電極法によって製造されたチタン製のボールが好適に使用される。このようなプラズマ回転電極法によって製造された直径が1mm以下のチタンまたはジルコニア製ボールは、均一な球形を有しており、ケイ素含有合金を得るためのボールとして特に好ましい。   In the mechanical alloying process using a ball mill apparatus, a raw material powder can be alloyed using a conventionally known ball. Preferably, the ball is 1 mm or less, particularly 0.1 to 1 mm. A titanium or zirconia having a diameter is used. In particular, in this embodiment, a titanium ball manufactured by the plasma rotating electrode method is preferably used. A titanium or zirconia ball having a diameter of 1 mm or less manufactured by such a plasma rotating electrode method has a uniform spherical shape, and is particularly preferable as a ball for obtaining a silicon-containing alloy.

また、本形態において、撹拌ボールミルの容器に仕込まれる溶媒も、特に限定されない。このような溶媒としては、例えば水(特にイオン交換水)、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ジメチルケトン、ジエチルケトン、ジエチルエーテル、ジメチルエーテル、ジフェニルエーテル、トルエンおよびキシレンが挙げられる。これらの溶媒は、単独で、または適宜組み合わせて使用される。   In the present embodiment, the solvent charged in the container of the stirring ball mill is not particularly limited. Examples of such a solvent include water (particularly ion-exchanged water), methanol, ethanol, propanol, butanol, pentanol, dimethyl ketone, diethyl ketone, diethyl ether, dimethyl ether, diphenyl ether, toluene, and xylene. These solvents are used alone or in appropriate combination.

さらに、本発明において、容器に仕込まれる処理剤も、特に限定されない。このような処理剤としては、例えば、容器の内壁への内容物の付着を防止するためのカーボン粉末のほか、界面活性剤および/または脂肪酸が挙げられる。   Furthermore, in the present invention, the treatment agent charged in the container is not particularly limited. Examples of such a treating agent include a surfactant and / or a fatty acid in addition to carbon powder for preventing the contents from adhering to the inner wall of the container.

上述した手法によるメカニカルアロイング処理は、通常乾式雰囲気下で行われるが、メカニカルアロイング処理後の粒度分布は大小の幅が非常に大きい場合がある。このため、粒度を整えるための粉砕処理および/または分級処理を行うことが好ましい。   The mechanical alloying process by the above-described method is usually performed in a dry atmosphere, but the particle size distribution after the mechanical alloying process may have a very large or small width. For this reason, it is preferable to perform the grinding | pulverization process and / or classification process for adjusting a particle size.

以上、負極活物質層に必須に含まれる所定の合金について説明したが、負極活物質層はその他の負極活物質を含んでいてもよい。上記所定の合金以外の負極活物質としては、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー、コークス、ソフトカーボン、もしくはハードカーボンなどのカーボン、SiやSnなどの純金属や上記所定の組成比を外れる合金系活物質、あるいはTiO、Ti、TiO、もしくはSiO、SiO、SnOなどの金属酸化物、Li4/3Ti5/3もしくはLiMnNなどのリチウムと遷移金属との複合酸化物(複合窒化物)、Li−Pb系合金、Li−Al系合金、Liなどが挙げられる。ただし、上記所定の合金を負極活物質として用いることにより奏される作用効果を十分に発揮させるという観点からは、負極活物質の全量100質量%に占める上記所定の合金の含有量は、好ましくは50〜100質量%であり、より好ましくは80〜100質量%であり、さらに好ましくは90〜100質量%であり、特に好ましくは95〜100質量%であり、最も好ましくは100質量%である。 As described above, the predetermined alloy included in the negative electrode active material layer has been described, but the negative electrode active material layer may contain other negative electrode active materials. Examples of the negative electrode active material other than the predetermined alloy include natural graphite, artificial graphite, carbon black, activated carbon, carbon fiber, coke, soft carbon, carbon such as hard carbon, pure metal such as Si and Sn, and the predetermined composition. Alloy-based active material out of ratio, or metal oxide such as TiO, Ti 2 O 3 , TiO 2 , SiO 2 , SiO, SnO 2 , lithium such as Li 4/3 Ti 5/3 O 4 or Li 7 MnN And transition metal composite oxides (composite nitrides), Li—Pb alloys, Li—Al alloys, Li, and the like. However, from the viewpoint of sufficiently exerting the effects exhibited by using the predetermined alloy as the negative electrode active material, the content of the predetermined alloy in the total amount of 100% by mass of the negative electrode active material is preferably It is 50-100 mass%, More preferably, it is 80-100 mass%, More preferably, it is 90-100 mass%, Especially preferably, it is 95-100 mass%, Most preferably, it is 100 mass%.

続いて、負極活物質層13は、バインダを含む。   Subsequently, the negative electrode active material layer 13 includes a binder.

(バインダ)
バインダは、活物質同士または活物質と集電体とを結着させて電極構造を維持する目的で添加される。負極活物質層に用いられるバインダの種類についても特に制限はなく、正極活物質層に用いられるバインダとして上述したものが同様に用いられうる。よって、ここでは詳細な説明は省略する。
(Binder)
The binder is added for the purpose of maintaining the electrode structure by binding the active materials or the active material and the current collector. There is no restriction | limiting in particular also about the kind of binder used for a negative electrode active material layer, What was mentioned above as a binder used for a positive electrode active material layer can be used similarly. Therefore, detailed description is omitted here.

なお、負極活物質層中に含まれるバインダ量は、活物質を結着することができる量であれば特に限定されるものではないが、好ましくは負極活物質層に対して、0.5〜20質量%であり、より好ましくは1〜15質量%である。   The amount of the binder contained in the negative electrode active material layer is not particularly limited as long as it is an amount capable of binding the active material, but is preferably 0.5 to It is 20 mass%, More preferably, it is 1-15 mass%.

(正極および負極活物質層15、13に共通する要件)
以下に、正極および負極活物質層15、13に共通する要件につき、説明する。
(Requirements common to the positive and negative electrode active material layers 15 and 13)
The requirements common to the positive and negative electrode active material layers 15 and 13 will be described below.

正極活物質層15および負極活物質層13は、必要に応じて、導電助剤、電解質塩(リチウム塩)、イオン伝導性ポリマー等を含む。特に、負極活物質層13は、導電助剤をも必須に含む。   The positive electrode active material layer 15 and the negative electrode active material layer 13 include a conductive additive, an electrolyte salt (lithium salt), an ion conductive polymer, and the like as necessary. In particular, the negative electrode active material layer 13 essentially includes a conductive additive.

導電助剤
導電助剤とは、正極活物質層または負極活物質層の導電性を向上させるために配合される添加物をいう。導電助剤としては、アセチレンブラック等のカーボンブラック、グラファイト、気相成長炭素繊維などの炭素材料が挙げられる。活物質層が導電助剤を含むと、活物質層の内部における電子ネットワークが効果的に形成され、電池の出力特性の向上に寄与しうる。
Conductive auxiliary agent A conductive auxiliary agent means the additive mix | blended in order to improve the electroconductivity of a positive electrode active material layer or a negative electrode active material layer. Examples of the conductive assistant include carbon materials such as carbon black such as acetylene black, graphite, and vapor grown carbon fiber. When the active material layer contains a conductive additive, an electronic network inside the active material layer is effectively formed, which can contribute to improvement of the output characteristics of the battery.

活物質層へ混入されてなる導電助剤の含有量は、活物質層の総量に対して、1質量%以上、より好ましくは3質量%以上、さらに好ましくは5質量%以上の範囲である。また、活物質層へ混入されてなる導電助剤の含有量は、活物質層の総量に対して、15質量%以下、より好ましくは10質量%以下、さらに好ましくは7質量%以下の範囲である。活物質自体の電子導電性は低く導電助剤の量によって電極抵抗を低減できる活物質層での導電助剤の配合比(含有量)を上記範囲内に規定することで以下の効果が発現される。即ち、電極反応を阻害することなく、電子導電性を十分に担保することができ、電極密度の低下によるエネルギー密度の低下を抑制でき、ひいては電極密度の向上によるエネルギー密度の向上を図ることができる。   The content of the conductive additive mixed into the active material layer is in the range of 1% by mass or more, more preferably 3% by mass or more, and further preferably 5% by mass or more with respect to the total amount of the active material layer. In addition, the content of the conductive additive mixed in the active material layer is 15% by mass or less, more preferably 10% by mass or less, and further preferably 7% by mass or less with respect to the total amount of the active material layer. is there. By defining the compounding ratio (content) of the conductive aid in the active material layer within the above range, the electronic conductivity of the active material itself is low and the electrode resistance can be reduced by the amount of the conductive aid. The That is, it is possible to sufficiently ensure the electronic conductivity without hindering the electrode reaction, to suppress the decrease in the energy density due to the decrease in the electrode density, and to improve the energy density due to the increase in the electrode density. .

また、上記導電助剤とバインダの機能を併せ持つ導電性結着剤をこれら導電助剤とバインダに代えて用いてもよいし、あるいはこれら導電助剤とバインダの一方ないし双方と併用してもよい。導電性結着剤としては、既に市販のTAB−2(宝泉株式会社製)を用いることができる。   Moreover, the conductive binder having the functions of the conductive assistant and the binder may be used in place of the conductive assistant and the binder, or may be used in combination with one or both of the conductive assistant and the binder. . As the conductive binder, commercially available TAB-2 (manufactured by Hosen Co., Ltd.) can be used.

電解質塩(リチウム塩)
電解質塩(リチウム塩)としては、Li(CSON、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiCFSO等が挙げられる。
Electrolyte salt (lithium salt)
Examples of the electrolyte salt (lithium salt) include Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 and the like.

イオン伝導性ポリマー
イオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)系およびポリプロピレンオキシド(PPO)系のポリマーが挙げられる。
Ion conductive polymer Examples of the ion conductive polymer include polyethylene oxide (PEO) -based and polypropylene oxide (PPO) -based polymers.

正極活物質層および負極活物質層中に含まれる成分の配合比は、特に限定されない。配合比は、非水溶媒二次電池についての公知の知見を適宜参照することにより、調整されうる。   The compounding ratio of the components contained in the positive electrode active material layer and the negative electrode active material layer is not particularly limited. The mixing ratio can be adjusted by appropriately referring to known knowledge about the non-aqueous solvent secondary battery.

各活物質層(集電体片面の活物質層)の厚さについても特に制限はなく、電池についての従来公知の知見が適宜参照されうる。一例を挙げると、各活物質層の厚さは、電池の使用目的(出力重視、エネルギー重視など)、イオン伝導性を考慮し、通常1〜500μm程度、好ましくは2〜100μmである。   There is no particular limitation on the thickness of each active material layer (active material layer on one side of the current collector), and conventionally known knowledge about the battery can be referred to as appropriate. For example, the thickness of each active material layer is usually about 1 to 500 μm, preferably 2 to 100 μm in consideration of the intended use of the battery (emphasis on output, energy, etc.) and ion conductivity.

<集電体>
集電体11、12は導電性材料から構成される。集電体の大きさは、電池の使用用途に応じて決定される。例えば、高エネルギー密度が要求される大型の電池に用いられるのであれば、面積の大きな集電体が用いられる。
<Current collector>
The current collectors 11 and 12 are made of a conductive material. The size of the current collector is determined according to the intended use of the battery. For example, if it is used for a large battery that requires a high energy density, a current collector having a large area is used.

集電体の厚さについても特に制限はない。集電体の厚さは、通常は1〜100μm程度である。   There is no particular limitation on the thickness of the current collector. The thickness of the current collector is usually about 1 to 100 μm.

集電体の形状についても特に制限されない。図1に示す積層型電池10では、集電箔のほか、網目形状(エキスパンドグリッド等)等を用いることができる。   The shape of the current collector is not particularly limited. In the laminated battery 10 shown in FIG. 1, in addition to the current collector foil, a mesh shape (such as an expanded grid) can be used.

なお、負極活物質をスパッタ法等により薄膜合金を負極集電体12上に直接形成する場合には、集電箔を用いるのが望ましい。   In the case where the negative electrode active material is formed directly on the negative electrode current collector 12 by sputtering or the like, it is desirable to use a current collector foil.

集電体を構成する材料に特に制限はない。例えば、金属や、導電性高分子材料または非導電性高分子材料に導電性フィラーが添加された樹脂が採用されうる。   There is no particular limitation on the material constituting the current collector. For example, a metal or a resin in which a conductive filler is added to a conductive polymer material or a non-conductive polymer material can be employed.

具体的には、金属としては、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス、チタン、銅などが挙げられる。これらのほか、ニッケルとアルミニウムとのクラッド材、銅とアルミニウムとのクラッド材、またはこれらの金属の組み合わせのめっき材などが好ましく用いられうる。また、金属表面にアルミニウムが被覆されてなる箔であってもよい。なかでも、電子伝導性や電池作動電位、集電体へのスパッタリングによる負極活物質の密着性等の観点からは、アルミニウム、ステンレス、銅、ニッケルが好ましい。   Specifically, examples of the metal include aluminum, nickel, iron, stainless steel, titanium, and copper. In addition to these, a clad material of nickel and aluminum, a clad material of copper and aluminum, or a plating material of a combination of these metals can be preferably used. Moreover, the foil by which aluminum is coat | covered on the metal surface may be sufficient. Of these, aluminum, stainless steel, copper, and nickel are preferable from the viewpoints of electronic conductivity, battery operating potential, and adhesion of the negative electrode active material by sputtering to the current collector.

また、導電性高分子材料としては、例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアクリロニトリル、およびポリオキサジアゾールなどが挙げられる。かような導電性高分子材料は、導電性フィラーを添加しなくても十分な導電性を有するため、製造工程の容易化または集電体の軽量化の点において有利である。   Examples of the conductive polymer material include polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyacetylene, polyparaphenylene, polyphenylene vinylene, polyacrylonitrile, and polyoxadiazole. Since such a conductive polymer material has sufficient conductivity without adding a conductive filler, it is advantageous in terms of facilitating the manufacturing process or reducing the weight of the current collector.

非導電性高分子材料としては、例えば、ポリエチレン(PE;高密度ポリエチレン(HDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE)など)、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリアミド(PA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルアクリレート(PMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、またはポリスチレン(PS)などが挙げられる。かような非導電性高分子材料は、優れた耐電位性または耐溶媒性を有しうる。   Non-conductive polymer materials include, for example, polyethylene (PE; high density polyethylene (HDPE), low density polyethylene (LDPE), etc.), polypropylene (PP), polyethylene terephthalate (PET), polyether nitrile (PEN), polyimide (PI), polyamideimide (PAI), polyamide (PA), polytetrafluoroethylene (PTFE), styrene-butadiene rubber (SBR), polyacrylonitrile (PAN), polymethyl acrylate (PMA), polymethyl methacrylate (PMMA) , Polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVdF), or polystyrene (PS). Such a non-conductive polymer material may have excellent potential resistance or solvent resistance.

上記の導電性高分子材料または非導電性高分子材料には、必要に応じて導電性フィラーが添加されうる。特に、集電体の基材となる樹脂が非導電性高分子のみからなる場合は、樹脂に導電性を付与するために必然的に導電性フィラーが必須となる。   A conductive filler may be added to the conductive polymer material or the non-conductive polymer material as necessary. In particular, when the resin used as the base material of the current collector is made of only a non-conductive polymer, a conductive filler is inevitably necessary to impart conductivity to the resin.

導電性フィラーは、導電性を有する物質であれば特に制限なく用いることができる。例えば、導電性、耐電位性、またはリチウムイオン遮断性に優れた材料として、金属および導電性カーボンなどが挙げられる。金属としては、特に制限はないが、Ni、Ti、Al、Cu、Pt、Fe、Cr、Sn、Zn、In、Sb、およびKからなる群から選択される少なくとも1種の金属もしくはこれらの金属を含む合金または金属酸化物を含むことが好ましい。また、導電性カーボンとしては、特に制限はない。好ましくは、アセチレンブラック、バルカン、ブラックパール、カーボンナノファイバー、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノバルーン、およびフラーレンからなる群より選択される少なくとも1種を含むものである。   The conductive filler can be used without particular limitation as long as it is a substance having conductivity. For example, metals, conductive carbon, etc. are mentioned as a material excellent in electroconductivity, electric potential resistance, or lithium ion barrier | blocking property. The metal is not particularly limited, but at least one metal selected from the group consisting of Ni, Ti, Al, Cu, Pt, Fe, Cr, Sn, Zn, In, Sb, and K, or these metals It is preferable to contain an alloy or metal oxide containing. Moreover, there is no restriction | limiting in particular as electroconductive carbon. Preferably, it includes at least one selected from the group consisting of acetylene black, vulcan, black pearl, carbon nanofiber, ketjen black, carbon nanotube, carbon nanohorn, carbon nanoballoon, and fullerene.

導電性フィラーの添加量は、集電体に十分な導電性を付与できる量であれば特に制限はなく、一般的には、5〜35質量%程度である。   The amount of the conductive filler added is not particularly limited as long as it is an amount capable of imparting sufficient conductivity to the current collector, and is generally about 5 to 35% by mass.

<電解質層>
電解質層17を構成する電解質としては、液体電解質またはポリマー電解質が用いられうる。
<Electrolyte layer>
A liquid electrolyte or a polymer electrolyte can be used as the electrolyte constituting the electrolyte layer 17.

液体電解質は、有機溶媒にリチウム塩(電解質塩)が溶解した形態を有する。有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、メチルプロピルカーボネート(MPC)等のカーボネート類が例示される。   The liquid electrolyte has a form in which a lithium salt (electrolyte salt) is dissolved in an organic solvent. Examples of the organic solvent include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), vinylene carbonate (VC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), Examples include carbonates such as methylpropyl carbonate (MPC).

また、リチウム塩としては、Li(CFSON、Li(CSON、LiPF、LiBF、LiAsF、LiTaF、LiClO、LiCFSO等の電極の活物質層に添加され得る化合物を採用することができる。 As the lithium salt, Li (CF 3 SO 2) 2 N, Li (C 2 F 5 SO 2) 2 N, LiPF 6, LiBF 4, LiAsF 6, LiTaF 6, LiClO 4, LiCF 3 SO 3 , etc. A compound that can be added to the active material layer of the electrode can be employed.

一方、ポリマー電解質は、電解液を含むゲル電解質と、電解液を含まない真性ポリマー電解質とに分類される。   On the other hand, the polymer electrolyte is classified into a gel electrolyte containing an electrolytic solution and an intrinsic polymer electrolyte containing no electrolytic solution.

ゲル電解質は、イオン伝導性ポリマーからなるマトリックスポリマーに、上記の液体電解質(電解液)が注入されてなる構成を有する。電解質としてゲルポリマー電解質を用いることで電解質の流動性がなくなり、各層間のイオン伝導を遮断することが容易になる点で優れている。   The gel electrolyte has a configuration in which the liquid electrolyte (electrolytic solution) is injected into a matrix polymer made of an ion conductive polymer. The use of a gel polymer electrolyte as the electrolyte is superior in that the fluidity of the electrolyte is lost and it is easy to block ion conduction between the layers.

マトリックスポリマーとして用いられるイオン伝導性ポリマーとしては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、およびこれらの共重合体等が挙げられる。かようなポリアルキレンオキシド系ポリマーには、リチウム塩などの電解質塩がよく溶解しうる。   Examples of the ion conductive polymer used as the matrix polymer include polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and copolymers thereof. In such polyalkylene oxide polymers, electrolyte salts such as lithium salts can be well dissolved.

ゲル電解質中の上記液体電解質(電解液)の割合としては、特に制限されるべきものではないが、イオン伝導度などの観点から、数質量%〜98質量%程度とするのが望ましい。本実施形態では、電解液の割合が70質量%以上の、電解液が多いゲル電解質について、特に効果がある。   The ratio of the liquid electrolyte (electrolytic solution) in the gel electrolyte is not particularly limited, but is preferably about several mass% to 98 mass% from the viewpoint of ionic conductivity. In the present embodiment, the gel electrolyte having a large amount of electrolytic solution having a ratio of the electrolytic solution of 70% by mass or more is particularly effective.

なお、電解質層が液体電解質やゲル電解質や真性ポリマー電解質から構成される場合には、電解質層にセパレータを用いてもよい。セパレータ(不織布を含む)の具体的な形態としては、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィンからなる微多孔膜や多孔質の平板、更には不織布が挙げられる。   In the case where the electrolyte layer is composed of a liquid electrolyte, a gel electrolyte, or an intrinsic polymer electrolyte, a separator may be used for the electrolyte layer. Specific examples of the separator (including non-woven fabric) include a microporous film made of polyolefin such as polyethylene and polypropylene, a porous flat plate, and a non-woven fabric.

真性ポリマー電解質は、上記のマトリックスポリマーに支持塩(リチウム塩)が溶解してなる構成を有し、可塑剤である有機溶媒を含まない。したがって、電解質層が真性ポリマー電解質から構成される場合には電池からの液漏れの心配がなく、電池の信頼性が向上しうる。   The intrinsic polymer electrolyte has a structure in which a supporting salt (lithium salt) is dissolved in the matrix polymer, and does not include an organic solvent that is a plasticizer. Therefore, when the electrolyte layer is composed of an intrinsic polymer electrolyte, there is no fear of liquid leakage from the battery, and the reliability of the battery can be improved.

ゲル電解質や真性ポリマー電解質のマトリックスポリマーは、架橋構造を形成することによって、優れた機械的強度を発現しうる。架橋構造を形成させるには、適当な重合開始剤を用いて、高分子電解質形成用の重合性ポリマー(例えば、PEOやPPO)に対して熱重合、紫外線重合、放射線重合、電子線重合等の重合処理を施せばよい。   The matrix polymer of the gel electrolyte or the intrinsic polymer electrolyte can exhibit excellent mechanical strength by forming a crosslinked structure. In order to form a crosslinked structure, thermal polymerization, ultraviolet polymerization, radiation polymerization, electron beam polymerization, etc. are performed on a polymerizable polymer (for example, PEO or PPO) for forming a polymer electrolyte using an appropriate polymerization initiator. A polymerization treatment may be performed.

<集電板およびリード>
電池外部に電流を取り出す目的で、集電板を用いてもよい。集電板は集電体やリードに電気的に接続され、電池外装材であるラミネートシートの外部に取り出される。
<Current collector plate and lead>
A current collecting plate may be used for the purpose of taking out the current outside the battery. The current collector plate is electrically connected to the current collector and the lead, and is taken out of the laminate sheet that is a battery exterior material.

集電板を構成する材料は、特に制限されず、リチウムイオン二次電池用の集電板として従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。集電板の構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等の金属材料が好ましく、より好ましくは軽量、耐食性、高導電性の観点からアルミニウム、銅などが好ましい。なお、正極集電板と負極集電板とでは、同一の材質が用いられてもよいし、異なる材質が用いられてもよい。   The material which comprises a current collector plate is not specifically limited, The well-known highly electroconductive material conventionally used as a current collector plate for lithium ion secondary batteries can be used. As a constituent material of the current collector plate, for example, metal materials such as aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), and alloys thereof are preferable, and aluminum is more preferable from the viewpoint of light weight, corrosion resistance, and high conductivity. Copper or the like is preferable. Note that the same material may be used for the positive electrode current collector plate and the negative electrode current collector plate, or different materials may be used.

正極端子リードおよび負極端子リードに関しても、必要に応じて使用する。正極端子リードおよび負極端子リードの材料は、公知のリチウムイオン二次電池で用いられる端子リードを用いることができる。なお、電池外装材29から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆するのが好ましい。   The positive terminal lead and the negative terminal lead are also used as necessary. As the material of the positive terminal lead and the negative terminal lead, a terminal lead used in a known lithium ion secondary battery can be used. It should be noted that the part taken out from the battery outer packaging material 29 has a heat insulating property so as not to affect the product (for example, automobile parts, particularly electronic devices) by contacting with peripheral devices or wiring and causing leakage. It is preferable to coat with a heat shrinkable tube or the like.

<電池外装材>
電池外装材29としては、公知の金属缶ケースを用いることができるほか、発電要素を覆うことができる、アルミニウムを含むラミネートフィルムを用いた袋状のケースが用いられうる。該ラミネートフィルムには、例えば、PP、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。高出力化や冷却性能に優れ、EV、HEV用の大型機器用電池に好適に利用することができるという観点から、ラミネートフィルムが望ましい。
<Battery exterior material>
As the battery exterior material 29, a known metal can case can be used, and a bag-like case using a laminate film containing aluminum that can cover the power generation element can be used. For example, a laminate film having a three-layer structure in which PP, aluminum, and nylon are laminated in this order can be used as the laminate film, but the laminate film is not limited thereto. A laminate film is desirable from the viewpoint that it is excellent in high output and cooling performance, and can be suitably used for a battery for large equipment for EV and HEV.

なお、上記のリチウムイオン二次電池は、従来公知の製造方法により製造することができる。   In addition, said lithium ion secondary battery can be manufactured with a conventionally well-known manufacturing method.

<リチウムイオン二次電池の外観構成>
図2は、積層型の扁平なリチウムイオン二次電池の外観を表した斜視図である。
<Appearance structure of lithium ion secondary battery>
FIG. 2 is a perspective view showing the appearance of a stacked flat lithium ion secondary battery.

図2に示すように、積層型の扁平なリチウムイオン二次電池50では、長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための正極集電板59、負極集電板58が引き出されている。発電要素57は、リチウムイオン二次電池50の電池外装材52によって包まれ、その周囲は熱融着されており、発電要素57は、正極集電板59および負極集電板58を外部に引き出した状態で密封されている。ここで、発電要素57は、図1に示すリチウムイオン二次電池(積層型電池)10の発電要素21に相当するものである。発電要素57は、正極(正極活物質層)13、電解質層17および負極(負極活物質層)15で構成される単電池層(単セル)19が複数積層されたものである。   As shown in FIG. 2, the stacked flat lithium ion secondary battery 50 has a rectangular flat shape, and a positive current collector 59 for taking out power from both sides thereof, a negative current collector, and the like. The electric plate 58 is pulled out. The power generation element 57 is wrapped by the battery outer packaging material 52 of the lithium ion secondary battery 50 and the periphery thereof is heat-sealed. The power generation element 57 pulls out the positive electrode current collector plate 59 and the negative electrode current collector plate 58 to the outside. Sealed. Here, the power generation element 57 corresponds to the power generation element 21 of the lithium ion secondary battery (stacked battery) 10 shown in FIG. The power generation element 57 is formed by laminating a plurality of single battery layers (single cells) 19 including a positive electrode (positive electrode active material layer) 13, an electrolyte layer 17, and a negative electrode (negative electrode active material layer) 15.

なお、上記リチウムイオン二次電池は、積層型の扁平な形状のもの(ラミネートセル)に制限されるものではない。巻回型のリチウムイオン電池では、円筒型形状のもの(コインセル)や角柱型形状(角型セル)のもの、こうした円筒型形状のものを変形させて長方形状の扁平な形状にしたようなもの、更にシリンダー状セルであってもよいなど、特に制限されるものではない。上記円筒型や角柱型の形状のものでは、その外装材に、ラミネートフィルムを用いてもよいし、従来の円筒缶(金属缶)を用いてもよいなど、特に制限されるものではない。好ましくは、発電要素がアルミニウムラミネートフィルムで外装される。当該形態により、軽量化が達成されうる。   The lithium ion secondary battery is not limited to a laminated flat shape (laminate cell). In a wound type lithium ion battery, a cylindrical shape (coin cell), a prismatic shape (square cell), or such a cylindrical shape deformed into a rectangular flat shape Further, it may be a cylindrical cell, and is not particularly limited. The cylindrical or prismatic shape is not particularly limited, for example, a laminate film or a conventional cylindrical can (metal can) may be used as the exterior material. Preferably, the power generation element is covered with an aluminum laminate film. With this configuration, weight reduction can be achieved.

また、図2に示す正極集電板59、負極集電板58の取り出しに関しても、特に制限されるものではない。正極集電板59と負極集電板58とを同じ辺から引き出すようにしてもよいし、正極集電板59と負極集電板58をそれぞれ複数に分けて、各辺から取り出すようにしてもよいなど、図2に示すものに制限されるものではない。また、巻回型のリチウムイオン電池では、集電板に変えて、例えば、円筒缶(金属缶)を利用して端子を形成すればよい。   Further, the removal of the positive electrode current collector plate 59 and the negative electrode current collector plate 58 shown in FIG. 2 is not particularly limited. The positive electrode current collector plate 59 and the negative electrode current collector plate 58 may be drawn out from the same side, or the positive electrode current collector plate 59 and the negative electrode current collector plate 58 may be divided into a plurality of parts and taken out from each side. It is not limited to the one shown in FIG. Further, in a wound type lithium ion battery, instead of the current collector plate, for example, a terminal may be formed using a cylindrical can (metal can).

上記したように、本実施形態のリチウムイオン二次電池用の負極活物質を用いてなる負極ならびにリチウムイオン二次電池は、電気自動車やハイブリッド電気自動車や燃料電池車やハイブリッド燃料電池自動車などの大容量電源として、好適に利用することができる。即ち、高体積エネルギー密度、高体積出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に好適に利用することができる。   As described above, the negative electrode and the lithium ion secondary battery using the negative electrode active material for the lithium ion secondary battery of the present embodiment are large vehicles such as electric vehicles, hybrid electric vehicles, fuel cell vehicles, and hybrid fuel cell vehicles. It can be suitably used as a capacity power source. That is, it can be suitably used for a vehicle driving power source and an auxiliary power source that require high volume energy density and high volume output density.

なお、上記実施形態では、電気デバイスとして、リチウムイオン電池を例示したが、これに制限されるわけではなく、他のタイプの二次電池、さらには一次電池にも適用できる。また、電池だけではなくキャパシタにも適用できる。   In the above embodiment, the lithium ion battery is exemplified as the electric device. However, the present invention is not limited to this, and can be applied to other types of secondary batteries and further to primary batteries. Moreover, it can be applied not only to batteries but also to capacitors.

本発明を、以下の実施例を用いてさらに詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。   The invention is explained in more detail using the following examples. However, the technical scope of the present invention is not limited only to the following examples.

(実施例1)
[ケイ素含有合金の製造]
以下の手法により、Si60Sn10Ti30(組成比は質量比)の組成を有するケイ素含有合金を製造した。
Example 1
[Manufacture of silicon-containing alloys]
A silicon-containing alloy having a composition of Si 60 Sn 10 Ti 30 (composition ratio is mass ratio) was manufactured by the following method.

具体的には、ドイツ ZOZ社製撹拌ボールミル装置C−01Mを用いて、SUS製粉砕ポットに1620gのジルコニア製粉砕ボール(φ5mm)および1gのカーボン(SGL)を投入し、その後1000rpmで10分間、プレ粉砕処理を実施した。その後、各合金の各原料粉末を100g投入し、1500rpmで20時間かけて合金化させ(合金化処理)、その後400rpmで1時間、微粉砕処理を実施して、ケイ素含有合金(負極活物質)を得た。なお、本実施例において用いた撹拌ボールミル装置において、公転半径rs=0.070[m]、自転半径rpl=0[m]、回転数rpm=1500[回/分]であったことから、遠心力Gnl=176.0[G]と算出された。また、得られたケイ素含有合金(負極活物質)粉末の平均粒子径(D50)は7.84μmであった。   Specifically, 1620 g of zirconia pulverized balls (φ5 mm) and 1 g of carbon (SGL) were charged into a SUS pulverizing pot using a stirring ball mill device C-01M manufactured by ZOZ, Germany, and then at 1000 rpm for 10 minutes. A pre-grinding process was performed. Thereafter, 100 g of each raw material powder of each alloy is charged, alloyed at 1500 rpm for 20 hours (alloying treatment), and then finely pulverized at 400 rpm for 1 hour to obtain a silicon-containing alloy (negative electrode active material). Got. In the stirring ball mill apparatus used in this example, the revolution radius rs = 0.070 [m], the rotation radius rpl = 0 [m], and the rotation speed rpm = 1500 [times / minute]. The force Gnl was calculated to be 176.0 [G]. Moreover, the average particle diameter (D50) of the obtained silicon-containing alloy (negative electrode active material) powder was 7.84 μm.

[負極の作製]
負極活物質である上記で製造したケイ素含有合金(Si60Sn10Ti30)80質量部と、導電助剤であるアセチレンブラック 5質量部と、バインダであるポリイミド 15質量部と、を混合し、脱泡混練機(Thinky AR−100)を用いてN−メチルピロリドンに分散させて負極スラリーを得た。次いで、得られた負極スラリーを、銅箔よりなる負極集電体の両面にそれぞれ負極活物質層の厚さが30μmとなるように均一に塗布し、真空中で24時間乾燥させて、負極を得た。
[Production of negative electrode]
80 parts by mass of the silicon-containing alloy (Si 60 Sn 10 Ti 30 ) produced above as a negative electrode active material, 5 parts by mass of acetylene black as a conductive auxiliary agent, and 15 parts by mass of polyimide as a binder, A negative electrode slurry was obtained by dispersing in N-methylpyrrolidone using a defoaming kneader (Thinky AR-100). Next, the obtained negative electrode slurry was uniformly applied to both surfaces of a negative electrode current collector made of copper foil so that the thickness of the negative electrode active material layer was 30 μm, and dried in a vacuum for 24 hours. Obtained.

[リチウムイオン二次電池(コインセル)の作製]
上記で作製した負極と対極Liとを対向させ、この間にセパレータ(ポリオレフィン、膜厚20μm)を配置した。次いで、負極、セパレータ、および対極Liの積層体をコインセル(CR2032、材質:ステンレス鋼(SUS316))の底部側に配置した。さらに、正極と負極との間の絶縁性を保つためガスケットを装着し、下記電解液をシリンジにより注入し、スプリングおよびスペーサを積層し、コインセルの上部側を重ねあわせ、かしめることにより密閉して、リチウムイオン二次電池(コインセル)を得た。
[Production of lithium ion secondary battery (coin cell)]
The negative electrode produced above and the counter electrode Li were opposed to each other, and a separator (polyolefin, film thickness 20 μm) was disposed therebetween. Next, a laminate of a negative electrode, a separator, and a counter electrode Li was disposed on the bottom side of a coin cell (CR2032, material: stainless steel (SUS316)). Furthermore, in order to maintain the insulation between the positive electrode and the negative electrode, a gasket is attached, the following electrolyte is injected with a syringe, the spring and spacer are stacked, the upper side of the coin cell is overlapped and sealed by caulking. A lithium ion secondary battery (coin cell) was obtained.

なお、上記電解液としては、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)とをEC:DEC=1:2(体積比)の割合で混合した有機溶媒に、リチウム塩である六フッ化リン酸リチウム(LiPF)を1mol/Lの濃度で溶解させたものを用いた。 In addition, as said electrolyte solution, hexafluorophosphoric acid which is lithium salt in the organic solvent which mixed ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) in the ratio of EC: DEC = 1: 2 (volume ratio). lithium (LiPF 6) was used dissolved at a concentration of 1 mol / L.

(実施例2)
ケイ素含有合金の組成をSi62.5Sn7.5Ti30に変更したこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、負極活物質、負極およびリチウムイオン二次電池(コインセル)を作製した。なお、得られたケイ素含有合金(負極活物質)粉末の平均粒子径(D50)は4.47μmであった。
(Example 2)
A negative electrode active material, a negative electrode, and a lithium ion secondary battery (coin cell) were prepared in the same manner as in Example 1 except that the composition of the silicon-containing alloy was changed to Si 62.5 Sn 7.5 Ti 30. did. In addition, the average particle diameter (D50) of the obtained silicon-containing alloy (negative electrode active material) powder was 4.47 μm.

(実施例3)
ケイ素含有合金の組成をSi65SnTi30に変更したこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、負極活物質、負極およびリチウムイオン二次電池(コインセル)を作製した。なお、得られたケイ素含有合金(負極活物質)粉末の平均粒子径(D50)は6.43μmであった。
(Example 3)
A negative electrode active material, a negative electrode, and a lithium ion secondary battery (coin cell) were prepared in the same manner as in Example 1 except that the composition of the silicon-containing alloy was changed to Si 65 Sn 5 Ti 30 . In addition, the average particle diameter (D50) of the obtained silicon-containing alloy (negative electrode active material) powder was 6.43 μm.

(実施例4)
ケイ素含有合金の組成をSi67.5Sn2.5Ti30に変更したこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、負極活物質、負極およびリチウムイオン二次電池(コインセル)を作製した。なお、得られたケイ素含有合金(負極活物質)粉末の平均粒子径(D50)は3.22μmであった。
Example 4
A negative electrode active material, a negative electrode, and a lithium ion secondary battery (coin cell) were prepared in the same manner as in Example 1 except that the composition of the silicon-containing alloy was changed to Si 67.5 Sn 2.5 Ti 30. did. In addition, the average particle diameter (D50) of the obtained silicon-containing alloy (negative electrode active material) powder was 3.22 μm.

(実施例5)
高純度金属Siインゴット(5N)、高純度Tiワイヤ(3N)、高純度Sn板(3N)を用い、アーク溶解法を用いて、Si合金(Si60質量%、Sn10質量%、Ti3質量%)のインゴットを作製した。
(Example 5)
Using high-purity metal Si ingot (5N), high-purity Ti wire (3N), high-purity Sn plate (3N) and arc melting method, Si alloy (Si 60 mass%, Sn10 mass%, Ti3 mass%) An ingot was produced.

続いて、上記で得られたインゴットを母合金として用いて、液体急冷凝固法によりケイ素含有合金を作製した。具体的には、日新技研株式会社製の液体急冷凝固装置NEV−A05型を用いて、Ar置換のうえゲージ圧−0.03MPaに減圧したチャンバー内に設置した石英ノズル中に、Si60Sn10Ti30のインゴット(母合金)を入れ、高周波誘導加熱により融解した後、0.05MPaの噴射圧にて、回転数4000rpm(周速:41.9m/sec)のCuロール上に噴射して、薄帯状合金(急冷薄帯)を作製した。 Subsequently, using the ingot obtained above as a mother alloy, a silicon-containing alloy was produced by a liquid rapid solidification method. Specifically, using a liquid rapid solidification apparatus NEV-A05 type manufactured by Nisshin Giken Co., Ltd., Si 60 Sn was placed in a quartz nozzle installed in a chamber reduced to a gauge pressure of -0.03 MPa after Ar substitution. A 10 Ti 30 ingot (mother alloy) is charged and melted by high frequency induction heating, and then injected onto a Cu roll having a rotation speed of 4000 rpm (peripheral speed: 41.9 m / sec) at an injection pressure of 0.05 MPa. A ribbon-shaped alloy (quenched ribbon) was prepared.

その後、上記で得られた薄帯状合金(急冷薄帯)を直径で約15μmのサイズに粉砕し、得られた粉砕物に対してメカニカルアロイング処理を施した。具体的には、ドイツ フリッチュ社製遊星ボールミル装置P−6を用いて、ジルコニア製粉砕ポットにジルコニア製粉砕ボールおよび上記粉砕物を投入し、600rpm、48時間の条件でメカニカルアロイング処理を施して合金化させた。その後、400rpm、1時間の粉砕処理を施して、ケイ素含有合金(負極活物質)を得た。なお、本実施例において用いた遊星ボールミル装置において、公転半径rs=0.060[m]、自転半径rpl=0.033[m]、自転公転比iw=−1.818[−]、回転数rpm=600[回/分]であったことから、遠心力Gnl=19.4[G]と算出された。また、得られたケイ素含有合金(負極活物質)粉末の平均粒子径(D50)は1.12μmであった。   Thereafter, the ribbon-like alloy (quenched ribbon) obtained above was pulverized to a size of about 15 μm in diameter, and the obtained pulverized product was subjected to mechanical alloying treatment. Specifically, using a planetary ball mill device P-6 manufactured by Fricht, Germany, the zirconia pulverized balls and the above pulverized product were put into a zirconia pulverized pot and subjected to mechanical alloying at 600 rpm for 48 hours. Alloyed. Thereafter, a pulverization treatment was performed at 400 rpm for 1 hour to obtain a silicon-containing alloy (negative electrode active material). In the planetary ball mill apparatus used in this example, the revolution radius rs = 0.060 [m], the revolution radius rpl = 0.033 [m], the revolution-revolution ratio iw = −1.818 [−], and the rotation speed Since rpm = 600 [times / min], the centrifugal force Gnl = 19.4 [G] was calculated. Moreover, the average particle diameter (D50) of the obtained silicon-containing alloy (negative electrode active material) powder was 1.12 μm.

(比較例)
ケイ素含有合金の組成をSi60Sn20Ti20に変更したこと以外は、上述した実施例1と同様の手法により、負極活物質、負極およびリチウムイオン二次電池(コインセル)を作製した。なお、得られたケイ素含有合金(負極活物質)粉末の平均粒子径(D50)は10.39μmであった。
(Comparative example)
A negative electrode active material, a negative electrode, and a lithium ion secondary battery (coin cell) were produced in the same manner as in Example 1 except that the composition of the silicon-containing alloy was changed to Si 60 Sn 20 Ti 20 . In addition, the average particle diameter (D50) of the obtained silicon-containing alloy (negative electrode active material) powder was 10.39 μm.

[負極活物質の組織構造の分析]
実施例1において作製した負極活物質(ケイ素含有合金)の組織構造を分析した。
[Analysis of the structure of the anode active material]
The structure of the negative electrode active material (silicon-containing alloy) produced in Example 1 was analyzed.

図3(A)は、実施例1の負極活物質(ケイ素含有合金)の高角度環状暗視野走査透過型電子顕微鏡(HAADF−STEM)による観察画像(低倍率)についてEDX(エネルギー分散型X線分光法)により元素強度マッピングを行った画像である。一方、図3(B)は、図3(A)に示す実施例1のHAADF−STEM観察画像(低倍率)の四角で囲んだ部位を拡大した観察画像(高倍率)を示す写真である。図3(A)に示す結果から、Tiが存在する部位にはSiも存在することから当該部位にはシリサイド(TiSi)相が存在するものと考えられた。また、Tiが存在しない部位にもSiが存在すること、SnはTiが存在せずSiが存在する部位に存在することもわかった。さらに、図3(B)に示す観察画像においてシリサイド(TiSi)相が存在するものと考えられた部位の画像を高速フーリエ変換して得られた回折図形には規則的な回折パターンが見られた(結晶構造の存在)。また、同部位について得られたEDXスペクトルではSiとTiとがほぼ2:1の原子比で存在していたことから、当該部位はシリサイド(TiSi)相であることが確認された。 FIG. 3A shows an EDX (energy dispersive X-ray) of an observation image (low magnification) of the negative electrode active material (silicon-containing alloy) of Example 1 observed with a high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscope (HAADF-STEM). It is the image which performed element intensity mapping by the spectroscopy method. On the other hand, FIG. 3 (B) is a photograph showing an observation image (high magnification) obtained by enlarging a portion surrounded by a square of the HAADF-STEM observation image (low magnification) of Example 1 shown in FIG. 3 (A). From the result shown in FIG. 3 (A), it was considered that a silicide (TiSi 2 ) phase was present at a site where Ti was present because Si was also present. It was also found that Si was present at sites where Ti was not present, and that Sn was present at sites where Ti was not present and Ti was present. Furthermore, in the observation image shown in FIG. 3B, a regular diffraction pattern can be seen in the diffraction pattern obtained by fast Fourier transform of an image of a portion considered to contain a silicide (TiSi 2 ) phase. (Existence of crystal structure). Further, in the EDX spectrum obtained for the same part, Si and Ti were present at an atomic ratio of about 2: 1, so that the part was confirmed to be a silicide (TiSi 2 ) phase.

さらに、図3(B)に示す観察画像においてTiが存在せずSiが存在する部位の画像を高速フーリエ変換して得られた回折図形には規則的な回折パターンが見られなかった。また、同部位について得られたEDXスペクトルではSiが主成分として存在していたことから、当該部位はa−Si相であることが確認された。なお、このEDXスペクトルではa−Si相にSnが含まれていることも確認され、SnはSiとの間でシリサイドを形成しないことから、Snはa−Si相に固溶していると考えられた。   Further, in the observation image shown in FIG. 3B, a regular diffraction pattern was not seen in the diffraction pattern obtained by fast Fourier transform of the image of the portion where Si was not present and Ti was present. Moreover, since E was present as a main component in the EDX spectrum obtained for the same part, it was confirmed that the part was an a-Si phase. In this EDX spectrum, it was also confirmed that Sn was contained in the a-Si phase. Since Sn does not form silicide with Si, it is considered that Sn is dissolved in the a-Si phase. It was.

上記と同様に、実施例3〜5および比較例のケイ素含有合金のHAADF−STEMによる観察画像(低倍率)について、それぞれEDX(エネルギー分散型X線分光法)により元素強度マッピングを行った画像を図4(A)〜(D)に示す。図4(A)〜(C)に示す実施例3〜5の合金は、図3を参照して上述した実施例1の合金と同様の微細組織構造を有していた。図3および図4に示す結果から、比較例の合金においてはSnがa−Si相にあまり固溶せず、その大部分がSn単独の相として偏在していることがわかる。これに対し、各実施例の合金においてはSnの偏在が見られず、Snの多くがa−Si相に固溶していることも判明した。   Similarly to the above, for the images (low magnification) observed by HAADF-STEM of the silicon-containing alloys of Examples 3 to 5 and the comparative example, images obtained by performing element intensity mapping by EDX (energy dispersive X-ray spectroscopy), respectively. Shown in FIGS. The alloys of Examples 3 to 5 shown in FIGS. 4A to 4C had the same microstructure as the alloy of Example 1 described above with reference to FIG. From the results shown in FIG. 3 and FIG. 4, it can be seen that in the alloy of the comparative example, Sn does not dissolve in the a-Si phase so much, and most of it is unevenly distributed as a phase of Sn alone. On the other hand, in the alloys of the examples, Sn was not unevenly distributed, and it was also found that most of Sn was dissolved in the a-Si phase.

続いて、図5(A)は、図3(B)と同じ実施例1の負極活物質(ケイ素含有合金)のHAADF−STEMによる観察画像(高倍率)である。また、図5(B)は、図5(A)に示す実施例1のケイ素含有合金の観察画像(HAADF−STEM像)に対して高速フーリエ変換(FFT)処理を施して取得した回折図形を示す写真である。そして、図5(C)は、図5(B)のSi(220)面に対応した回折リング部分のデータが抽出された抽出図形に対して逆高速フーリエ変換処理を行い、得られた逆フーリエ変換画像を示す写真である。同様に、図6Aおよび図6Bには以下の写真を示す:
図6A(A):図4(A)に示す実施例3のHAADF−STEM観察画像(低倍率)の四角で囲んだ部位を拡大した観察画像(高倍率)を示す写真
図6A(B):図6A(A)の観察画像から得られた実施例3の逆フーリエ変換画像
図6A(C):図4(B)に示す実施例4のHAADF−STEM観察画像(低倍率)の四角で囲んだ部位を拡大した観察画像(高倍率)を示す写真
図6A(D):図6A(C)の観察画像から得られた実施例4の逆フーリエ変換画像
図6B(E):図4(C)に示す実施例5のHAADF−STEM観察画像(低倍率)の四角で囲んだ部位を拡大した観察画像(高倍率)を示す写真
図6B(F):図6B(E)の観察画像から得られた実施例5の逆フーリエ変換画像
図6B(G):図4(D)に示す比較例のHAADF−STEM観察画像(低倍率)の四角で囲んだ部位を拡大した観察画像(高倍率)を示す写真
図6B(H):図6B(G)の観察画像から得られた比較例の逆フーリエ変換画像。
Next, FIG. 5A is an observation image (high magnification) by HAADF-STEM of the negative electrode active material (silicon-containing alloy) of Example 1 which is the same as FIG. 3B. FIG. 5B shows a diffraction pattern obtained by performing a fast Fourier transform (FFT) process on the observation image (HAADF-STEM image) of the silicon-containing alloy of Example 1 shown in FIG. 5A. It is a photograph shown. FIG. 5C shows an inverse Fourier transform obtained by performing inverse fast Fourier transform processing on the extracted figure from which data of the diffraction ring portion corresponding to the Si (220) plane of FIG. 5B is extracted. It is a photograph which shows a conversion image. Similarly, FIGS. 6A and 6B show the following photographs:
6A (A): Photograph showing an observation image (high magnification) obtained by enlarging a portion surrounded by a square of the HAADF-STEM observation image (low magnification) of Example 3 shown in FIG. 4 (A). Inverse Fourier transform image of Example 3 obtained from the observed image of FIG. 6A (A) FIG. 6A (C): Surrounded by the square of the HAADF-STEM observed image (low magnification) of Example 4 shown in FIG. 6A (D): Inverse Fourier transform image of Example 4 obtained from the observation image of FIG. 6A (C) FIG. 6B (E): FIG. 4 (C) 6B (F): Obtained from the observation image of FIG. 6B (E). FIG. 6B (F): The observation image (high magnification) of the HAADF-STEM observation image (low magnification) of Example 5 shown in FIG. Inverse Fourier transform image of Example 5 obtained FIG. 6B (G): ratio shown in FIG. 4 (D) A photograph showing an observation image (high magnification) obtained by enlarging a portion surrounded by a square of the HAADF-STEM observation image (low magnification) of the example. FIG. 6B (H): of the comparative example obtained from the observation image of FIG. 6B (G) Inverse Fourier transform image.

以上の結果をまとめると、実施例1、3〜5で得られた負極活物質(ケイ素含有合金)は、Siの結晶構造の内部にSnが固溶してなる非晶質または低結晶性のSiを含むa−Si相が、遷移金属のケイ化物を主成分とするシリサイド(TiSi)相中に分散されてなる構造を有するものであることがわかった。なお、結果を図示はしていないが、実施例2で得られた負極活物質(ケイ素含有合金)も同様の構造を有するものであることが確認されている。 Summarizing the above results, the negative electrode active materials (silicon-containing alloys) obtained in Examples 1 and 3 to 5 are amorphous or low crystalline in which Sn is dissolved in the crystal structure of Si. It has been found that the a-Si phase containing Si has a structure in which it is dispersed in a silicide (TiSi 2 ) phase mainly composed of a transition metal silicide. Although the results are not shown, it has been confirmed that the negative electrode active material (silicon-containing alloy) obtained in Example 2 has a similar structure.

一方、比較例の負極活物質(ケイ素含有合金)では、実施例と同様の構造は確認されず、これとは逆にシリサイド(TiSi)相がa−Si相中に分散されてなる構造が確認された。 On the other hand, in the negative electrode active material (silicon-containing alloy) of the comparative example, a structure similar to that of the example is not confirmed, and on the contrary, a structure in which a silicide (TiSi 2 ) phase is dispersed in an a-Si phase. confirmed.

[負極活物質の非晶質領域のSi正四面体間距離(Si−Si間距離)の測定]
実施例1、3〜5および比較例のそれぞれにおいて作製した負極活物質(ケイ素含有合金)について、HAADF−STEM観察画像を用いた画像解析により得られた逆フーリエ変換画像(図5(C)、図6A(B)、図6A(D)、図6B(F)および図6B(H))から非晶質領域(a−Si相)のSi正四面体間距離を測定(算出)した結果を下記の表1に示す。
[Measurement of Si Tetrahedral Distance (Si-Si Distance) of Amorphous Region of Negative Electrode Active Material]
About the negative electrode active material (silicon-containing alloy) produced in each of Examples 1, 3 to 5 and Comparative Example, an inverse Fourier transform image (FIG. 5C) obtained by image analysis using a HAADF-STEM observation image. FIG. 6A (B), FIG. 6A (D), FIG. 6B (F) and FIG. 6B (H)) show the results of measuring (calculating) the distance between the Si tetrahedrons of the amorphous region (a-Si phase). It is shown in Table 1 below.

[X線回折測定法による負極活物質の結晶構造の分析]
実施例1〜5および比較例のそれぞれにおいて作製した負極活物質(ケイ素含有合金)の結晶構造をX線回折測定法により分析した。X線回折測定法に用いた装置および条件は以下の通りである。なお、このX線回折測定により、ケイ素含有合金に含まれるTiはすべてシリサイド(TiSi)相として存在していることも確認された。
[Analysis of crystal structure of negative electrode active material by X-ray diffraction measurement]
The crystal structure of the negative electrode active material (silicon-containing alloy) produced in each of Examples 1 to 5 and Comparative Example was analyzed by an X-ray diffraction measurement method. The apparatus and conditions used for the X-ray diffraction measurement method are as follows. This X-ray diffraction measurement also confirmed that all Ti contained in the silicon-containing alloy was present as a silicide (TiSi 2 ) phase.

装置名:リガク社製、X線回折装置(SmartLab9kW)
電圧・電流:45kV・200mA
X線波長:CuKα1
そして、実施例1〜5および比較例のそれぞれの負極活物質(ケイ素含有合金)について取得されたX線回折スペクトルから得られる2θ=24〜33°の範囲におけるSiの(111)面の回折ピーク強度Aの値、および2θ=37〜45°の範囲におけるTiSiの回折ピーク強度Bの値から、これらの比の値(SiM/Siピーク強度比;B/A)を算出した。結果を下記の表1に示す。
Device name: X-ray diffractometer (SmartLab9kW) manufactured by Rigaku Corporation
Voltage / Current: 45kV / 200mA
X-ray wavelength: CuKα1
And the diffraction peak of the (111) plane of Si in the range of 2θ = 24 to 33 ° obtained from the X-ray diffraction spectra obtained for the negative electrode active materials (silicon-containing alloys) of Examples 1 to 5 and Comparative Example. From the value of intensity A and the value of diffraction peak intensity B of TiSi 2 in the range of 2θ = 37 to 45 °, the value of these ratios (SiM / Si peak intensity ratio; B / A) was calculated. The results are shown in Table 1 below.

同様に、実施例1〜5および比較例のそれぞれの負極活物質(ケイ素含有合金)について取得されたX線回折スペクトルから得られる2θ=24〜33°の範囲におけるSiの(111)面の回折ピーク強度Aに対する、2θ=26〜35°の範囲におけるSnの(001)面の回折ピーク強度Dの値から、これらの比の値(Sn/Siピーク強度比;C/A)を算出した。結果を下記の表1に示す。   Similarly, diffraction of (111) plane of Si in the range of 2θ = 24 to 33 ° obtained from the X-ray diffraction spectra obtained for the negative electrode active materials (silicon-containing alloys) of Examples 1 to 5 and Comparative Example. The value of these ratios (Sn / Si peak intensity ratio; C / A) was calculated from the value of the diffraction peak intensity D of the (001) plane of Sn in the range of 2θ = 26 to 35 ° with respect to the peak intensity A. The results are shown in Table 1 below.

[ラマン分光法による負極活物質の結晶構造の分析]
実施例1〜5および比較例のそれぞれにおいて作製した負極活物質(ケイ素含有合金)の構造を、以下の手法を用いたラマン分光法により分析した。
[Analysis of crystal structure of negative electrode active material by Raman spectroscopy]
The structure of the negative electrode active material (silicon-containing alloy) produced in each of Examples 1 to 5 and Comparative Example was analyzed by Raman spectroscopy using the following method.

〈測定条件・装置〉
まず、ラマンスペクトルの測定のため、試料である負極活物質(ケイ素含有合金)の粉末を平板上に展開した。測定は各試料について4ポイントずつ実施し、得られたラマンスペクトルを平均化した。測定条件は、20倍の対物レンズを用い、励起波長532nmの半導体レーザーを入射光に用い、測定範囲は60〜1550cm−1とし、測定時間は30秒、積算回数を2回とした。ここで、使用した機器は以下の通りである。
装置名:ブルカー・オプティクス社製 顕微レーザーラマン SENTERRA
〈カーブフィッティング〉
上記ラマンスペクトルの測定で得たデータをもとにカーブフィッティングを実施した。カーブフィッティングは、860cm−1、765cm−1、475cm−1、420cm−1、315cm−1の5つの位置をそれぞれ中心とするローレンツ関数をもとにして行った。これらのうち、475cm−1のピークを結晶シリコンによるものと帰属してそのピーク面積S(Cry−Si)を算出した。一方、420cm−1のピークをアモルファスシリコンによるものと帰属してそのピーク面積S(Amo−Si)を算出した。そして、これらの値からピーク面積比S(Amo−Si)/S(Cry−Si)を求めた。結果を下記の表1に示す。
<Measurement conditions and equipment>
First, for measurement of the Raman spectrum, a negative electrode active material (silicon-containing alloy) powder as a sample was developed on a flat plate. The measurement was performed for each sample by 4 points, and the obtained Raman spectra were averaged. The measurement conditions were a 20 × objective lens, a semiconductor laser with an excitation wavelength of 532 nm used as incident light, a measurement range of 60 to 1550 cm −1 , a measurement time of 30 seconds, and an integration count of 2 times. Here, the equipment used is as follows.
Device name: Bruker Optics Microscopic Laser Raman SENTERRA
<Curve fitting>
Curve fitting was performed based on the data obtained by the Raman spectrum measurement. Curve fitting was performed based on Lorentz functions centered at five positions of 860 cm −1 , 765 cm −1 , 475 cm −1 , 420 cm −1 , and 315 cm −1 . Of these, the peak area S (Cry-Si) was calculated by assigning the peak at 475 cm −1 to that of crystalline silicon. On the other hand, the peak area S (Amo-Si) was calculated by assigning the peak at 420 cm −1 to that of amorphous silicon. And peak area ratio S (Amo-Si) / S (Cry-Si) was calculated | required from these values. The results are shown in Table 1 below.

[サイクル耐久性の評価]
実施例1〜4および比較例のそれぞれにおいて作製した各リチウムイオン二次電池(コインセル)について以下の充放電試験条件に従ってサイクル耐久性評価を行った。
[Evaluation of cycle durability]
For each lithium ion secondary battery (coin cell) produced in each of Examples 1 to 4 and Comparative Example, cycle durability was evaluated according to the following charge / discharge test conditions.

(充放電試験条件)
1)充放電試験機:HJ0501SM8A(北斗電工株式会社製)
2)充放電条件[充電過程]0.3C、2V→10mV(定電流・定電圧モード)
[放電過程]0.3C、10mV→2V(定電流モード)
3)恒温槽:PFU−3K(エスペック株式会社製)
4)評価温度:300K(27℃)。
(Charge / discharge test conditions)
1) Charge / discharge tester: HJ0501SM8A (Hokuto Denko Co., Ltd.)
2) Charging / discharging conditions [charging process] 0.3C, 2V → 10mV (constant current / constant voltage mode)
[Discharge process] 0.3C, 10mV → 2V (constant current mode)
3) Thermostatic bath: PFU-3K (Espec Corp.)
4) Evaluation temperature: 300K (27 ° C.).

評価用セルは、充放電試験機を使用して、上記評価温度に設定された恒温槽中にて、充電過程(評価用電極へのLi挿入過程をいう)では、定電流・定電圧モードとし、0.1mAにて2Vから10mVまで充電した。その後、放電過程(評価用電極からのLi脱離過程を言う)では、定電流モードとし、0.3C、10mVから2Vまで放電した。以上の充放電サイクルを1サイクルとして、同じ充放電条件にて、初期サイクル(1サイクル)〜100サイクルまで充放電試験を行った。そして、1サイクル目の放電容量に対する50サイクル目、70サイクル目および100サイクル目の放電容量の割合(放電容量維持率[%])を求めた結果を、下記の表1に示す。   The evaluation cell is set to the constant current / constant voltage mode in the charging process (referring to the Li insertion process to the evaluation electrode) in the thermostat set to the above evaluation temperature using a charge / discharge tester. The battery was charged from 2 V to 10 mV at 0.1 mA. Thereafter, in the discharge process (referring to the Li desorption process from the electrode for evaluation), a constant current mode was set and discharge was performed from 0.3 C, 10 mV to 2 V. The charge / discharge test was conducted from the initial cycle (1 cycle) to 100 cycles under the same charge / discharge conditions with the above charge / discharge cycle as one cycle. The results of determining the ratio of the discharge capacity at the 50th cycle, the 70th cycle and the 100th cycle (discharge capacity retention rate [%]) to the discharge capacity at the first cycle are shown in Table 1 below.

上記表1に示す結果から、本発明に係る負極活物質を用いたリチウムイオン電池は、50サイクル/70サイクル後の放電容量維持率が高い値に維持されており、サイクル耐久性に優れるものであることがわかる。このように高いサイクル耐久性が実現できたのは、負極活物質を構成するケイ素含有合金がSi−Sn−M(Mは1または2以上の遷移金属元素である)で表される三元系の合金組成を有するとともに、ケイ素の結晶構造の内部にスズが固溶してなる非晶質または低結晶性のケイ素を含むa−Si相が遷移金属のケイ化物を主成分とするシリサイド相中に分散されてなる構造を有することによっている。このように、シリサイド相が海島構造の海(連続相)を構成することで、負極活物質(ケイ素含有合金)の電子伝導性をよりいっそう向上させることができ、しかもa−Si相の膨張時の応力を緩和して活物質の割れを防止することができる。また、a−Si相にスズが固溶することによって非晶質領域(a−Si相)のSi正四面体間距離が所定値以上の値となることで、充放電時におけるリチウムイオンの挿入・脱離反応が進行しやすくなっているものと考えられる。さらには、SiM/Siのピーク強度比(B/A)が所定値以上の値となることで、充電時にSiとLiとが合金化する際のアモルファス−結晶の相転移(Li15Siへの結晶化)を抑制しつつ、充放電時の活物質粒子の膨張を緩和することにつながっているものと考えられる。本発明に係る負極活物質を構成するケイ素含有合金は所定の微細組織構造を有する結果、これらの複合的な効果として、サイクル耐久性の向上がもたらされているものと考えられる。 From the results shown in Table 1, the lithium ion battery using the negative electrode active material according to the present invention is maintained at a high discharge capacity maintenance rate after 50 cycles / 70 cycles, and has excellent cycle durability. I know that there is. In this way, high cycle durability can be realized because the silicon-containing alloy constituting the negative electrode active material is represented by Si—Sn—M (M is one or more transition metal elements). An a-Si phase containing amorphous or low crystalline silicon in which tin is dissolved in the crystal structure of silicon, and having a transition metal silicide as a main component. This is because it has a structure in which the particles are dispersed. Thus, when the silicide phase constitutes a sea (continuous phase) having a sea-island structure, the electronic conductivity of the negative electrode active material (silicon-containing alloy) can be further improved, and the a-Si phase is expanded. It is possible to relax the stress of the active material and prevent the active material from cracking. Further, when tin dissolves in the a-Si phase, the distance between the Si tetrahedrons of the amorphous region (a-Si phase) becomes a value equal to or greater than a predetermined value, so that lithium ions are inserted during charging and discharging.・ It is thought that the elimination reaction is likely to proceed. Furthermore, when the SiM / Si peak intensity ratio (B / A) is a value equal to or greater than a predetermined value, the amorphous-crystal phase transition (to Li 15 Si 4) when Si and Li are alloyed during charging. It is considered that this leads to relaxation of the expansion of the active material particles during charging / discharging while suppressing crystallization of the active material particles. As a result of the silicon-containing alloy constituting the negative electrode active material according to the present invention having a predetermined microstructure, it is considered that the cycle durability is improved as a combined effect of these.

なお、実施例1、3〜5および比較例の負極活物質(ケイ素含有合金)の微細組織構造をHAADF−STEMにより観察した観察画像(HAADF−STEM像)とその拡大画像を、図7A(実施例1)、図7B(実施例3)、図7C(実施例4)、図7D(実施例5)および図7E(比較例)に改めてそれぞれ示す。そして、それぞれの拡大画像における黒色部(a−Si相)および灰色部(シリサイド(TiSi)相)の領域を高速フーリエ変換処理して得られた回折図形もそれぞれの図に示す。また、各負極活物質(ケイ素含有合金)についてのXRDチャートを図7Fに示す。各図に示す回折図形およびXRDチャートから、実施例1、3〜5および比較例の負極活物質(ケイ素含有合金)に含まれるダイシリサイド(TiSi)の結晶構造はC54構造であることが確認された。C54構造を有するダイシリサイド(TiSi)は、C49構造を有するものと比較して低抵抗率かつ高硬度であることから、負極活物質として用いられた場合に、高い電子伝導性を示し、しかも充放電時の活物質におけるa−Si相の膨張収縮によって生じる応力を緩和する効果に優れるものと考えられ、このことも高いサイクル耐久性の実現に寄与しているものと思われた。 In addition, the observation image (HAADF-STEM image) which observed the fine structure of Examples 1, 3-5, and the negative electrode active material (silicon-containing alloy) of a comparative example with HAADF-STEM, and its enlarged image are FIG. Example 1), FIG. 7B (Example 3), FIG. 7C (Example 4), FIG. 7D (Example 5), and FIG. 7E (Comparative Example) are shown again. Then, it is shown in black portion (a-Si phase) and gray portions (silicide (TiSi 2) phase) region to be respectively diffraction pattern obtained by fast Fourier transform in Figure in each of the enlarged image. Moreover, the XRD chart about each negative electrode active material (silicon-containing alloy) is shown in FIG. 7F. From the diffraction pattern and XRD chart shown in each figure, it is confirmed that the crystal structure of disilicide (TiSi 2 ) contained in the negative electrode active materials (silicon-containing alloys) of Examples 1, 3 to 5 and Comparative Example is a C54 structure. It was done. Since disilicide (TiSi 2 ) having a C54 structure has a low resistivity and a high hardness compared to those having a C49 structure, it exhibits high electronic conductivity when used as a negative electrode active material. It is thought that it is excellent in the effect which relieve | moderates the stress which arises by the expansion-contraction of the a-Si phase in the active material at the time of charging / discharging, and this also seems to have contributed to realization of high cycle durability.

10、50 リチウムイオン二次電池(積層型電池)、
11 負極集電体、
12 正極集電体、
13 負極活物質層、
15 正極活物質層、
17 電解質層、
19 単電池層、
21、57 発電要素、
25、58 負極集電板、
27、59 正極集電板、
29、52 電池外装材(ラミネートフィルム)。
10, 50 Lithium ion secondary battery (stacked battery),
11 negative electrode current collector,
12 positive electrode current collector,
13 negative electrode active material layer,
15 positive electrode active material layer,
17 electrolyte layer,
19 cell layer,
21, 57 power generation element,
25, 58 negative electrode current collector plate,
27, 59 positive current collector,
29, 52 Battery exterior material (laminate film).

Claims (9)

下記(A)〜(D)の規定を満足するケイ素含有合金からなる、電気デバイス用負極活物質:
(A)下記化学式(I):
(上記化学式(I)において、
Aは、不可避不純物であり、
Mは、1または2以上の遷移金属元素であり、
x、y、z、およびaは、質量%の値を表し、この際、0<x<100、0<y<100、0<z<100、および0≦a<0.5であり、x+y+z+a=100である。)
で表される組成を有する;
(B)ケイ素の結晶構造の内部にスズが固溶してなる非晶質または低結晶性のケイ素を含むa−Si相が、遷移金属のケイ化物を主成分とするシリサイド相中に分散されてなる構造を有する;
(C)前記a−Si相についてのTEM−MRO解析によるSi正四面体間距離が0.38nm以上である;
(D)CuKα1線を用いたX線回折測定において、2θ=24〜33°の範囲におけるSiの(111)面の回折ピーク強度Aに対する、2θ=37〜45°の範囲における遷移金属のケイ化物の(311)面の回折ピーク強度Bの比の値(B/A)が1.34以上である。
A negative electrode active material for electrical devices, comprising a silicon-containing alloy that satisfies the following requirements (A) to (D):
(A) The following chemical formula (I):
(In the above chemical formula (I),
A is an inevitable impurity,
M is one or more transition metal elements,
x, y, z, and a represent mass% values, where 0 <x <100, 0 <y <100, 0 <z <100, and 0 ≦ a <0.5, and x + y + z + a = 100. )
Having a composition represented by:
(B) The a-Si phase containing amorphous or low crystalline silicon in which tin is dissolved in the silicon crystal structure is dispersed in a silicide phase mainly composed of a transition metal silicide. Having a structure of
(C) The Si tetrahedral distance by TEM-MRO analysis for the a-Si phase is 0.38 nm or more;
(D) In the X-ray diffraction measurement using CuKα1 line, the transition metal silicide in the range of 2θ = 37 to 45 ° with respect to the diffraction peak intensity A of the (111) plane of Si in the range of 2θ = 24 to 33 ° The value (B / A) of the diffraction peak intensity B of the (311) plane is 1.34 or more.
前記ケイ素含有合金が、下記(E)の規定をさらに満足する、請求項1に記載の電気デバイス用負極活物質:
(E)ラマンスペクトルにおける475cm−1にピークを有する結晶シリコンのピーク面積S(Cry−Si)と、420cm−1にピークを有するアモルファスシリコンのピーク面積S(Amo−Si)と、のピーク面積比S(Amo−Si)/S(Cry−Si)が1.00以上である。
The negative electrode active material for an electric device according to claim 1, wherein the silicon-containing alloy further satisfies the following (E):
(E) and the peak area of crystalline silicon having a peak at 475cm -1 in the Raman spectrum S (Cry-Si), and the peak area of amorphous silicon having a peak at 420cm -1 S (Amo-Si) , the peak area ratio of S (Amo-Si) / S (Cry-Si) is 1.00 or more.
前記ケイ素含有合金が、下記(F)の規定をさらに満足する、請求項1または2に記載の電気デバイス用負極活物質:
(F)CuKα1線を用いたX線回折測定において、2θ=24〜33°の範囲におけるSiの(111)面の回折ピーク強度Aに対する、2θ=26〜35°の範囲におけるSnの(001)面の回折ピーク強度Cの比の値(C/A)が、1.085以下である。
The negative electrode active material for an electric device according to claim 1 or 2, wherein the silicon-containing alloy further satisfies the following (F):
(F) In X-ray diffraction measurement using CuKα1 line, Sn in the range of 2θ = 26 to 35 ° with respect to the diffraction peak intensity A of (111) plane of Si in the range of 2θ = 24 to 33 ° (001) The value (C / A) of the diffraction peak intensity C of the surface is 1.085 or less.
前記遷移金属のケイ化物はTiSiであり、かつ、前記a−Si相は非晶質である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電気デバイス用負極活物質。 The silicide of a transition metal is TiSi 2, and the a-Si phase is amorphous, the negative electrode active material for an electric device according to any one of claims 1 to 3. 前記TiSiがC54構造を有するものを主成分とする、請求項4に記載の電気デバイス用負極活物質。 The negative electrode active material for an electric device according to claim 4, wherein the TiSi 2 is mainly composed of a material having a C54 structure. 下記化学式(I):
(上記化学式(I)において、
Aは、不可避不純物であり、
Mは、1または2以上の遷移金属元素であり、
x、y、z、およびaは、質量%の値を表し、この際、0<x<100、0<y<100、0<z<100、および0≦a<0.5であり、x+y+z+a=100である。)
で表される組成を有するケイ素含有合金からなる電気デバイス用負極活物質の製造方法であって、
前記ケイ素含有合金と同一の組成を有する母合金の粉末に対して、20[G]以上の遠心力が加わるようなボールミル装置を用いてメカニカルアロイング処理を施すことにより、前記ケイ素含有合金からなる電気デバイス用負極活物質を得る、電気デバイス用負極活物質の製造方法。
The following chemical formula (I):
(In the above chemical formula (I),
A is an inevitable impurity,
M is one or more transition metal elements,
x, y, z, and a represent mass% values, where 0 <x <100, 0 <y <100, 0 <z <100, and 0 ≦ a <0.5, and x + y + z + a = 100. )
A method for producing a negative electrode active material for an electrical device comprising a silicon-containing alloy having a composition represented by:
The master alloy powder having the same composition as the silicon-containing alloy is subjected to mechanical alloying using a ball mill apparatus in which a centrifugal force of 20 [G] or more is applied, thereby comprising the silicon-containing alloy. The manufacturing method of the negative electrode active material for electric devices which obtains the negative electrode active material for electric devices.
メカニカルアロイング処理の時間が45時間以下である、請求項6に記載の電気デバイス用負極活物質の製造方法。   The manufacturing method of the negative electrode active material for electrical devices of Claim 6 whose time of a mechanical alloying process is 45 hours or less. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の電気デバイス用負極活物質を用いてなる、電気デバイス用負極。   The negative electrode for electric devices which uses the negative electrode active material for electric devices of any one of Claims 1-5. 請求項8に記載の電気デバイス用負極を用いてなる、電気デバイス。   An electric device comprising the negative electrode for an electric device according to claim 8.
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